量子科學(xué)是如今科技發(fā)展的一個重點(diǎn)，許多國家和大型高科技企業(yè)對量子計算等領(lǐng)域紛紛進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。在2021年世界頂尖科學(xué)家論壇量子計算論壇上，兩位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者深入介紹了量子計算相關(guān)領(lǐng)域。

2012年諾貝爾物理學(xué)獎得主戴維·瓦恩蘭（David J. Wineland）表示，量子計算發(fā)展到今天，現(xiàn)在雖然已經(jīng)展示了“量子計算優(yōu)越性”——在一些具體問題的解決上，量子計算機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典計算機(jī)，但是，目前解決的問題沒有一個展示了量子計算的真正實(shí)力。

瓦恩蘭表示，目前還需要其他的基準(zhǔn)測試工具來幫助我們開發(fā)計算機(jī)，直到實(shí)現(xiàn)一個由量子計算機(jī)構(gòu)成的宇宙。當(dāng)然，這還有很長的路要走，但隨著量子計算的發(fā)展，很多其他領(lǐng)域也終將受益，如量子傳感等。

瓦恩蘭回顧了量子計算的發(fā)展歷史。

據(jù)介紹，戴維·多伊奇首次提出了量子圖靈機(jī)的架構(gòu)。之后，斯蒂芬·威斯納定義一種制造量子貨幣——始祖版量子比特幣的方法，并長期深入地研究量子密碼術(shù)。20世紀(jì)80年代早期，理查德·費(fèi)曼在可逆經(jīng)典計算會議上提出了一個偉大而有趣的想法——使用量子系統(tǒng)作為最好的可逆機(jī)，因?yàn)樵瓌t上量子態(tài)是完全可逆的。

90年代中期，彼得·秀爾提出了一個算法，并預(yù)言如果能制造出這種計算機(jī)就可以有效地影響進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算。這引起了情報界的高度興趣，因?yàn)樗麄兪褂么罅康募用芪臋n，擔(dān)心其安全性。

瓦恩蘭表示，現(xiàn)在，人們距離制成實(shí)用量子計算機(jī)還有很長一段路。不過，一旦有了量子計算機(jī)，很多在經(jīng)典加密系統(tǒng)中存在的問題會慢慢地消失，很多信息可能會被破解。

目前，量子計算仍然存在一個巨大問題——它們非常容易受到環(huán)境噪聲影響而產(chǎn)生錯誤。為了給量子計算糾錯，研究者使用了量子糾錯碼，一般通過將單個比特的信息編碼到多個比特上來糾錯，這樣一來又要巨大數(shù)量的量子比特。

瓦恩蘭表示，目前，糾錯仍然非常困難。為了在無需糾錯的情況下進(jìn)行量子通信，約翰·裴士基（John Preskill）提出了“噪音中尺度量子”這個概念和想法,目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。如果在這期間能產(chǎn)生一些有趣的中間尺度的系統(tǒng)，肯定會大大刺激通用量子計算機(jī)的工作。

瓦恩蘭總結(jié)說，未來量子計算研究的愿景是更好的量子比特和更好的控制。

2004年諾貝爾物理學(xué)獎得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）則更多從物理專業(yè)領(lǐng)域談?wù)摿孔佑嬎?，他首先介紹了量子色動力學(xué)和量子計算對它的影響。量子色動力學(xué)是一種強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論，它描述組成強(qiáng)作用粒子（強(qiáng)子）的夸克和與色量子數(shù)相聯(lián)系的規(guī)范場的相互作用。

維爾澤克指出,即使借助超級計算機(jī)和大規(guī)模計算，想要通過數(shù)值模擬解量子色動力學(xué)方程的方式，來揭示時空中的量子漲落和相關(guān)粒子的質(zhì)量都是異常困難的。但是量子計算機(jī)不僅可以簡化這些復(fù)雜的計算，還可以建立單個核內(nèi)的粒子，構(gòu)建原子核，到原子，甚至是整個世界。

維爾澤克表示任意子可能對量子計算非常有用。任意子不能存在于自由空間中，但可以存在于特定的材料中，并具有相互糾纏的特性，它們之間的相互作用取決于路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。任意子復(fù)雜的路徑函數(shù)可以作為存儲和操作信息的一種方式來制造拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)。

拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)能夠解決量子信息易被干擾的問題。如果我們擁有的信息在邏輯上存儲在任意子上，這些路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然會因外界擾動或小的噪聲源干擾產(chǎn)生小的擺動，但由于不會改變其路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就不會破壞以這種方式存儲和操縱的量子信息。因此這種拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)將具有很大優(yōu)勢。

維爾澤克還重點(diǎn)介紹了時間晶體?！皶r間晶體”是一種四維以上的空間晶體，它會隨著時間演化周期性地自我重復(fù)。他指出，時間晶體既是量子計算的試驗(yàn)場，也是非常有趣的物理系統(tǒng)。

維爾澤克預(yù)言，可以使用量子模擬器和非常有創(chuàng)意的方法來測試?yán)碚摵蜆?gòu)建新型時間晶體。他還具體給出了兩種方法：第一種，使用量子模擬器精確地描述氮空位中心的特征，并用外場和非常復(fù)雜的方法操縱它們，建立一個理論上的時間晶體，并檢驗(yàn)它的正確性；第二種，使用備受關(guān)注的谷歌懸鈴木量子計算機(jī)作為量子模擬器，建立一個更復(fù)雜的時間晶體模型。

目前，該領(lǐng)域最前沿的研究更關(guān)注如何建立創(chuàng)造性地利用噪聲的模型。這生動地詮釋了物理學(xué)中的思想可以被用來提高我們的計算能力，同時更好的計算能力也給我們提出和解答有趣物理問題提供了更多新方法。