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目前量子計算能有哪些應用？

答：隨著“量子計算優越性”里程碑的達到，目前量子計算已經進入了“有噪聲的中等規模（NISQ）”階段。這一階段的量子計算原型機面臨的最大挑戰是噪聲，導致量子算法的規模稍大，計算結果就被噪聲淹沒。國際學術界的主流觀點是，在NISQ階段可能體現“量子優勢”的應用主要是對凝聚態物理、量子化學等領域的復雜問題進行量子模擬。

舉一個例子，假設用經典計算機對一個包含300個兩能級原子的量子系統進行模擬。由于量子疊加原理，300個兩能級原子的態空間維度將達到2300，這一數字已經超過已知宇宙中原子數目的總和，這意味著即使用宇宙中每一個原子來做存儲器都無法存儲如此大的狀態空間，因此，經典計算機無法有效模擬量子系統的行為。量子模擬的原理則是人工操縱300個量子比特，用這些可控的量子比特的演化來模擬真實的多體量子系統，也即是“用量子來理解量子”。

由于量子模擬并不要求特別高精度的量子比特制備和量子邏輯門操縱，因此有望成為近期真正實現“量子優勢”的應用。例如，在凝聚態物理領域，我國學者成功構建了“天元”超冷原子量子模擬器，成功驗證了費米子哈伯德模型中的反鐵磁相變，朝向獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用邁出了重要的第一步[1]，而這一問題的計算復雜度非常高，即使是超級計算機也無法進行有效的數值模擬。在量子化學領域，我國學者通過相干操縱超冷分子，成功獲得了多達49個電子的三原子分子的勢能面信息[2]，這一問題由于涉及多個電子，同樣無法通過經典數值模擬有效求解。未來3至5年，將有望實現專用的量子模擬機，用以解決經典計算機無法勝任的若干重要科學問題，包括量子化學反應動力學、高溫超導機理、拓撲物態等。值得指出的是，即使在未來實現了專用量子模擬機，其應用也集中在前沿研究領域，距離大規模商用仍然比較遙遠。

將量子計算與AI結合是現階段開辟量子計算應用領域的另一可能途徑。AI+量子計算的優勢在于：（1）量子計算提供高效初始態，AI優化后續計算；（2）AI幫助克服量子設備的噪聲和資源限制；（3）兩者結合為復雜系統的精確描述提供了強大工具。例如，我國學者提出將量子計算與基于Transformer的神經網絡結合的方法，利用量子計算機生成糾纏態，并通過AI進行高效訓練和推理[3]。利用此方法，在處理鐵硫簇等強關聯系統時，精度和效率均得到了提升。AI+量子計算不僅大幅提升了計算精度，還顯著加快了收斂速度，同時節省了量子資源。

總體而言，現階段量子計算系統的硬件性能還不足以在具有重要價值的實際問題上實現量子優勢，量子計算的應用還在探索之中。而量子計算能夠大規模應用的前提是實現容錯通用量子計算機，這要求達到百萬量級量子比特的操縱，還需要10至15年的發展。對量子計算的長遠發展，一方面需要來自政府和民間的耐心支持，另一方面要杜絕炒作，營造積極且理性的發展環境。

A

參考文獻：

[1] Shao et al., Antiferromagnetic phase transition in a 3D fermionic Hubbard model, Nature 632, 267 (2024).

[2] Yang et al., Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold 23Na40K + 40K collisions, Science 363, 261 (2019).

[3] H. Shang, et al., Rapidly Achieving Chemical Accuracy with Quantum Computing Enforced Language Model, arXiv:2405.09164.