物理学家终于找到了只有量子计算机才能解决的问题广达杂志

量子计算机有望成为计算超级大国，但研究人员长期以来一直在寻找一个能够赋予量子优势的可行问题——只有量子计算机才能解决的问题。他们认为，只有到那时，这项技术才会最终被视为必不可少的。

他们已经寻找了几十年。 “它具有挑战性的部分原因是经典计算机非常擅长它们所做的很多事情，”说 约翰·普里斯基尔，加州理工学院理论物理学家。

1994年， 彼得·肖尔发现 一种可能性：用于分解大数的量子算法。 Shor 的算法功能强大，被广泛认为可以击败所有经典算法；当在量子计算机上运行时，它有可能破坏互联网的大部分安全系统，这些系统依赖于大数分解的难度。但尽管令人印象深刻，该算法只与一小部分研究领域相关，而且明天可能有人会找到一种在经典机器上对大数进行因式分解的有效方法，从而使 Shor 的算法变得毫无意义。肖尔的狭窄适用性促使研究界寻找量子机器的其他用例，这些用例实际上可能有助于做出新的科学发现。

“我们不想仅仅为了单一任务而建造一台计算机，”说 崔顺元，麻省理工学院的物理学家。 “除了Shor算法，我们还能用量子计算机做什么？”

正如普雷斯基尔所说，“我们必须找到那些经典难题，但随后我们必须[证明]量子方法确实有效。”

有几次，研究人员认为他们已经做到了，发现量子算法可以比经典计算机更快地解决问题。但后来有人——通常是年轻的研究人员 伊文·唐 ——提出了可以超越量子算法的聪明的新经典算法。

现在，包括普雷斯基尔在内的物理学家团队可能已经 找到了迄今为​​止最好的候选人 为了量子优势。通过研究某些量子系统的能量，他们发现了一个具体且有用的问题，对于量子机器来说很容易回答，但对于经典机器来说仍然很难回答。 “这是量子算法理论的重大进展，”说 谢尔盖·布拉维，IBM 的理论物理学家和计算机科学家。 “他们的结果是解决与化学和材料科学相关的问题的量子优势。”

研究人员也对这项新工作探索了物理科学意想不到的新领域感到兴奋。 “这种新功能与 Shor 的功能有本质上的不同，并且有可能为量子算法领域带来许多新的机会，”Choi 说。

这个问题与不同能量状态下的量子系统（通常是原子）的特性有关。当原子在状态之间跳跃时，它们的属性会发生变化。例如，它们可能会发出特定颜色的光，或者变得具有磁性。如果我们想更好地预测系统在各种能态下的特性，那么了解系统处于最低激发态（科学家将其称为基态）时会有所帮助。

“许多化学家、材料科学家和量子物理学家正在努力寻找基态，”说 罗伯特·黄，新论文作者之一，也是谷歌量子人工智能的研究科学家。 “众所周知，这非常困难。”

这非常困难，以至于经过一个多世纪的工作，研究人员仍然没有找到一种有效的计算方法来根据第一原理确定系统的基态。量子计算机似乎也没有任何方法可以做到这一点。科学家们得出的结论是，对于经典计算机和量子计算机来说，找到系统的基态都很困难。

但一些物理系统表现出更复杂的能量景观。当冷却时，这些复杂的系统不会满足于稳定在基态，而是稳定在附近的低能级，称为局部最低能级。 （2021 年诺贝尔物理学奖的一部分被授予在这样一组系统中所做的工作，该系统被称为 旋转眼镜。）研究人员开始怀疑确定系统局部最低能量水平的问题是否也普遍困难。

答案从去年开始浮出水面，当时 陈其芳最近论文的另一位作者帮助开发了一种新的 量子算法 可以模拟量子热力学（研究热、能量和功对量子系统的影响）。 “我认为很多人都[研究了]量子系统中能源格局的问题，但之前没有工具可以分析它，”黄说。陈的算法帮助打开了一扇了解这些系统如何运作的窗口。

在看到这个新工具的强大功能后，黄和 周利奥这篇新论文的第四位也是最后一位作者，用它设计了一种让量子计算机确定系统局部最小能量状态的方法，而不是追逐理想的基态——这种方法只关注量子计算研究人员的这类问题正在寻找。普雷斯基尔说：“现在我们遇到了一个问题：找到局部能量，这在经典上仍然很困难，但我们可以说在量子上很容易。” “因此，这使我们进入了我们想要获得量子优势的舞台。”

在普雷斯基尔的带领下，作者不仅证明了他们确定系统局部最小能量状态的新方法的威力——这是量子物理领域的重大进展——而且还证明了这最终是一个量子计算机可以展示其价值的问题。 “寻找局部最小值的问题具有量子优势，”黄说。

与之前的候选者不同，这个候选者可能不会被任何新的经典算法取代。 “[它]不太可能被去量化，”Choi 说。普雷斯基尔的团队做出了非常合理的假设，并且几乎没有进行任何逻辑上的跳跃；如果经典算法可以达到相同的结果，则意味着物理学家在许多其他事情上肯定是错误的。 “这将是一个令人震惊的结果，”崔说。 “看到它我会很兴奋，但它太令人震惊了，令人难以置信。”这项新工作提供了一个易于处理且有前途的候选者来展示量子优势。

需要明确的是，新结果本质上仍然是理论上的。目前不可能在实际的量子计算机上演示这种新方法。建造一台能够彻底测试该问题的量子优势的机器需要时间。所以对于 Bravyi 来说，工作才刚刚开始。 “如果你看看五年前发生的事情，我们只有几个量子位的量子计算机，而现在我们已经拥有数百甚至 1,000 个量子位的机器，”他说。 “很难预测五年或十年后会发生什么。这是一个非常充满活力的领域。”

更正： 2024 年 3 月 12 日
本文经过编辑，可以更清楚地描述寻找具有量子优势的问题。