[论文解读] Quantum computing 40 years later

John Preskill|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 36

一句话总结

Preskill 回顾量子计算的起源、当前的 NISQ 时代，以及可扩展容错量子计算的前景，强调量子模拟与量子化学的应用。

ABSTRACT

Forty years ago, Richard Feynman proposed harnessing quantum physics to build a more powerful kind of computer. Realizing Feynman's vision is one of the grand challenges facing 21st century science and technology. In this article, we'll recall Feynman's contribution that launched the quest for a quantum computer, and assess where the field stands 40 years later.

研究动机与目标

• 概述费曼的原始愿景及其向量子计算发展过程的历史演变。
• 评估当前量子硬件状况以及向可扩展容错量子计算（FTQC）所存在的差距。
• 讨论量子计算的潜在应用，特别是量子仿真与化学领域。

提出的方法

• 对Feynman、Manin、Benioff、Deutsch、Shor等人的基础思想进行历史性综合。
• 对核心量子概念的解释：量子比特（qubits）、张量积，以及量子电路模型。
• 讨论NISQ时代、量子模拟（模拟和数字）以及通过纠错迈向FTQC的路径。
• 提及准确性阈值定理和表面码（surface code）概念，作为实现可扩展性的驱动力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Feynman 提议40年之后，量子计算的当前状态如何？
• RQ2 在短期和长期，NISQ 设备将扮演何种角色，相对于容错量子计算机？
• RQ3 量子计算的潜在应用有哪些，特别是在量子仿真与化学方面？
• RQ4 实现可扩展量子计算所面临的主要挑战与需求（如错误率、量子比特数量等）？

主要发现

• 量子计算起源于Feynman 提议用量子计算机模拟量子系统，凸显其优于经典模拟的潜在能力。
• 该领域已经发展到NISQ时代，谷歌的Sycamore等设备在特定任务上实现了量子计算优势的说法。
• NISQ设备与可扩展FTQC之间仍有巨大差距，需要大量量子纠错开销，且高影响力应用可能需要数十万甚至更多的物理量子比特。
• 量子优势在模拟量子动力学以及某些化学/物理问题上最为明显，而非通用的NP难优化问题。
• 模拟量子和数字量子模拟器提供互补的短期方法，数字量子计算则在未来提供灵活性和精确的普适性。