文/Doug Finke，Global Quantum Intelligence公司首席内容官

在市场研究公司Global Quantum Intelligence（GQI）提供的资料中，我们看到了量子提供商的许多发展路线图，从这些信息中可以预见的是：在未来几年内，量子硬件和量子软件的能力将继续进步。我们相信，在未来几年内，我们将开始看到企业将量子技术用于生产目的，我们称之为“量子生产”，以区别于一次性概念验证实验。

尽管我们最初预计在2030年代之前不会看到容错量子计算机（FTQC），但最近的进展使我们相信，我们将在本世纪下半叶开始看到我们所说的早期FTQC处理器。我们衡量量子计算机能力的一种方法，是我们称之为Quops的衡量标准，它代表成功的量子运算。我们根据以下时代对量子进化进行分类：中期、早期、大规模和成熟，这取决于这一代的Quops机器的处理能力。Quops是量子处理器中可用量子位的数量和这些量子位的逻辑错误率（LER）的函数。

对于没有任何纠错功能的噪声中等规模量子（NISQ）处理器，逻辑错误率将与物理错误率（PER）相同。但在实施纠错码的FTQC机器中，LER将比PER好得多，纠错码将物理量子位组合在一起以创建逻辑量子位。这就是纠错技术的目的。

FTQC：容错量子计算机

我们希望在未来五年内看到早期的FTQC计算机，其能够实现MegaQuops或GigaQuops机制中的功能。这些初始机器可能包含几千个物理量子位，这些量子位将转化为大约几百个逻辑量子位。这应该足以运行一些有用的应用程序，但仍然不够强大，无法运行像Shor算法（运行该算法需要具备TeraQuops功能的机器）这样的密集量子应用程序。我们预计这些大规模FTQC计算机要到2030年代才能使用，它们将为计算提供数千个逻辑量子位，可能还有数百万个物理量子位。

表1展示了纠错如何使用一种称为表面码的特定纠错码，作为初始PER的函数来改善LER。正如所料，代码开头的PER越好，得到的LER就越好。但另一个因素会影响组合在一起以创建逻辑量子位的物理量子位：我们称之为物理与逻辑之比。具有较大物理与逻辑比率的代码，将提供更好的抗错性。在图1中，第三列描述了用符号[[n，k，d]]实现的代码。n表示组内使用的物理量子位的数量；k表示它创建的逻辑量子位的数量；d表示编码中码字之间的距离，距离越大，代码检测和纠正错误的能力就越强。除了表1中使用的表面代码外，还研究了许多其他可能更高效的代码，具体取决于代码及其实现的特定量子处理器。

表1：使用表面码作为初始PER的函数来改善LER（来源：Global Quantum Intelligence）

NISQ：噪声中尺度量子

另一方面，我们也看到了更强大的噪声中尺度量子（NISQ）处理器和相关算法的进步，这些处理器和算法也有望在2025-2029年间运行有用的应用程序。我们已经看到一些公司为其物理门展示了大于99.9%的双量子位保真度。我们还看到了算法的进步，以充分利用这些物理门。该软件包括混合经典/量子架构、变分量子算法、误差缓解和抑制技术、电路编织、零噪声外推、概率误差消除和其他经典后处理，以改善量子结果。此外，我们看到的路线图表明，在本世纪下半叶，我们可能会拥有10000个物理量子位的NISQ处理器。

最终用户到底会选择使用能提供大约100个逻辑量子位、双量子位门保真度大于99.9999%的早期FTQC计算机呢？还是希望使用包含1000个物理量子位、双量子位门保真度为99.9%或99.99%的NISQ计算机呢？可能未来五年内就会看到一个有趣选择结果。

许多量子研究人员怀疑，是否能在NISQ量子计算机上运行有用的应用程序。除了这些机器仍然存在噪音问题之外，另一个原因是，许多这些应用程序将依赖于启发式算法，如QAOA或VQE，理论上没有人能证明这些算法是有效的。

人们需要尝试一下它们是否有效。另一方面，有理论证明显示，某些算法（如Shor算法）可以在FTQC上运行并提供准确的答案。但我们要提醒读者的是，最近流行的许多经典人工智能（AI）算法也是启发式的，计算机科学家还没有理论证明它们是有效的。

最近在arXiv网站上看到一篇题为《A typology of quantum algorithms》的特别有趣的论文。在这篇论文中，作者根据许多不同因素对133种不同的量子算法进行了分类，包括该算法是否可以在NISQ处理器上实现，或者是否需要大规模量子（LSQ）处理器。文章末尾的摘要分类表中显示的133种算法中，共有50种被归类为使用NISQ处理器的潜在候选算法，而其余候选算法需要LSQ机器。在FTQC量子计算机可用之前，这些NISQ算法中的一种可能确实可以提供可用的商业量子生产。

我们还不能确定哪些量子应用能够在哪些机器上提供商业上有用的结果。但有一件事让我们感到乐观，那就是创新方法的多样性和组织在硬件和软件方面的快速进步，使我们能够将系统用于有用的量子生产。尽管其中一些创新方法将会失败，但我们完全相信，其他方法将在未来几年内发挥作用，并开始实现量子计算机的承诺。未来几年，生产中的应用程序可能只有少数，但随着更多TeraQuop大规模FTQC系统的出现，这一最初的小数量将在2030年代大幅增长，这将使更多的算法能够成功运行。

虽然有些人可能希望看到NISQ时代的结束和FTQC时代的开始之间有一个明确的界限，但实际上这些时代将重叠，我们将看到一个渐进的过渡。