编者按：第四届世界顶尖科学家论坛于今年11月1日至3日在上海临港新片区举行，10月30日至31日开展了论坛的先导活动。全球“最强大脑”围绕“开放科学：构建开放创新生态”年度主题，就近百个前沿科学议题展开了交流与讨论。我们将逐步带大家回顾精彩的论坛内容。

在世界顶尖科学家量子计算论坛上，2004年诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）和2012年诺贝尔物理学奖得主戴维·瓦恩兰（David J. Wineland）分别作了精彩的个人演讲，展望一个由量子计算机构成的宇宙。

量子计算论坛 | 图：WLF

维尔泽克以围绕量子和计算相关的物理学为主题，首先介绍了量子色动力学和量子计算对它的影响。即使是借助超级计算机和大规模计算，想要通过数值模拟解量子色动力学方程的方式，来揭示时空中的量子涨落和相关粒子的质量都是异常困难的。但是量子计算机不仅可以简化这些复杂的计算，还可以建立单个核内的粒子，构建原子核，直到原子，甚至是整个世界。

维尔泽克 | 图：WLF

接着维尔泽克详细介绍了任意子，它对量子计算可能非常有用，它们虽然不能存在于自由空间中，但可以存在于特定的材料中，并具有相互纠缠的特性，它们之间的相互作用取决于路径的拓扑结构。任意子复杂的路径函数可以作为存储和操作信息的一种方式来制造拓扑量子计算机。
这种拓扑量子计算机将有很大的优势，因为目前量子计算机面临的一个巨大挑战是，量子信息非常脆弱很容易被干扰。然而，如果我们拥有的信息在逻辑上存储在任意子上，这些路径的拓扑结构虽然会因外界扰动或小的噪声源干扰产生小的摆动，但因为不会改变其路径的拓扑结构，因此并不会破坏以这种方式存储和操纵的量子信息。
最后维尔泽克重点介绍了时间晶体，指出它既是量子计算的试验场，也是非常有趣的物理系统。他突破性地预言可以使用量子模拟器和非常有创意的方法来测试理论和构建新型时间晶体并具体给出了两种方法：方法一，使用量子模拟器精确地描述氮空位中心的特征，并用外场和非常复杂的方法操纵它们，建立一个理论上的时间晶体，并检验它的正确性；方法二，使用备受关注的谷歌悬铃木量子计算机作为量子模拟器，建立一个更复杂的时间晶体模型。
目前该领域最前沿的研究更关注的是如何建立创造性地利用噪声的模型。这生动地诠释了物理学中的思想可以被用来提高我们的计算能力，同时更好的计算能力也给我们提出和解答有趣物理问题提供了更多新方法。
瓦恩兰以概述历史的视角，介绍了从最早David Deutsch开始思考量子图灵机并提出了最初的量子计算算法；到Stephen Wiesner定义一种制造量子货币——始祖版的量子比特币的方法，为了研究其安全性，他长期深入地研究量子密码术；在20世纪80年代早期，Richard Feynman在可逆经典计算会议上提出了一个伟大而有趣的想法——使用量子系统作为最好的可逆机，因为原则上量子态是完全可逆的；90年代中期，Peter Shor提出了一个算法并预言如果能制造出这种计算机,就可以有效地影响进行大量数据运算，这引起了情报界的高度兴趣，因为大量的加密文档每天都在使用，其安全性会因为计算机无法集中处理大量数据而受损。

瓦恩兰 | 图：WLF

然而，今天我们离构建一个有用的量子计算机还有很长的路要走，虽然我们看到它已经可以使用Peter Shor的算法在一个平台上破解代码。值得强调的是，一旦有了量子计算机，很多在经典加密系统中存在的问题会慢慢地消失，因为很多信息可能就会被破解。
但是量子系统仍然存在一个巨大问题——它们非常容易受到噪声的影响，尤其是那些使用量子计算的系统。为了给量子信息纠错，消耗了大量的量子比特。目前，纠错仍然是一件非常困难的事情，为了在无需纠错的情况下进行量子通信，John Preskill提出了“噪音中尺度量子”这个概念和想法,目前该领域已经取得了一定进展。如果在这期间能产生一些有趣的中间尺度的系统，肯定会大大刺激通用量子计算机的工作。
未来量子计算研究的愿景是更好的量子比特和更好的控制。而量子霸权是指在解决一些具体问题的时候量子计算机远比经典计算机效率更高，速度更快，这是一个有用的基准。但迄今为止，已经解决的问题中没有一个展示了量子计算的真正实力。
我们还需要其他的基准测试工具来帮助我们开发计算机，直到实现一个由量子计算机构成的宇宙。这还有很长的路要走，但随着量子计算的发展，其他很多领域也终将受益，例如量子传感等。

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