国际量子科技前沿｜IBM专家深度解析：量子计算需要高性能软件
引言
2025年初，Science期刊上刊登了一篇《量子计算需要高性能的软件》观点性文章，作者为IBM量子系统部门负责人Jerry M. Chow。该文章探讨了量子计算对高性能软件的需求，强调量子与经典计算协同工作的重要性，以及开发高效、用户友好的量子软件开发工具包（SDKs）以降低使用门槛。文章指出，通过错误校正、算法优化及全球协作，量子计算有望在化学模拟、数据优化等领域实现“量子优势”，解决经典计算机难以处理的复杂问题。
IBM专家深度解析：量子计算需要高性能软件
1. 量子计算：未来的超级大脑
量子计算正在飞速发展，未来十年内，量子计算机有望解决商业领域的复杂问题。然而，量子计算并不会取代经典计算——毕竟，它擅长解决特定问题，而不是所有问题。未来，量子计算和经典计算将携手合作，各自处理最适合的任务。为了实现这一点，量子计算硬件需要高性能软件，这种软件必须结合量子计算和经典计算，并且足够用户友好，让非量子科学家和软件开发者能够在不了解量子计算细节的情况下，轻松运行量子计算任务。
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2. 量子比特：计算的新基石
量子计算机通过量子比特（qubits）解决问题，这是信息的基本单位。量子比特的信息处理依赖于复杂的硬件，例如囚禁原子、超导线（能够在无电阻的情况下导电）或其他可以进入量子态的物理系统。量子比特芯片看起来可能与经典芯片相似，但它能够执行超越经典二进制代码和逻辑运算的数学操作。通过利用量子力学的特性，如叠加（量子比特可以同时处于多个状态，直到被测量）、干涉（某些状态可以相互抵消）和纠缠（量子比特之间可以形成经典计算机无法实现的关联），量子信息的处理方式与经典计算截然不同。这使得计算机能够更精准地预测自然系统的行为，例如化学反应，或者在优化能源网络等任务中提供比经典计算机更强大的计算能力。
3. 量子电路：计算的“量子乐章”
量子计算的核心是量子电路，它并不是物理电路，而是一种在量子处理单元上运行的计算程序，而不是经典计算机的中央处理单元。量子电路从将信息编码到量子比特开始，然后对量子比特执行一系列操作（类似于经典计算机中的“IF”、“AND”和“OR”逻辑），最终通过“测量”量子比特来获取计算结果。测量量子比特会将其投影到经典状态（称为“波函数坍缩”），因此量子电路的输出只能是一串二进制代码。量子电路本质上是概率性的——同一电路的不同运行可能会产生不同的输出结果，具体取决于测量时的概率分布。例如，使用量子计算机估算分子能量的算法可能会得到一系列可能的能量值，这些值可以被平均为一个期望值。
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4. 量子电路的复杂性：深度与宽度的挑战
量子电路的复杂性取决于量子比特的数量（宽度）和量子电路在量子比特失去量子信息之前能够运行的量子指令数量（深度）。在实际应用中，深度受到外部噪声（如退相干）的限制，这是量子比特“忘记”其量子信息的过程。深度和宽度是决定量子计算机能够解决何种问题的关键因素，但随着硬件的不断改进，这些参数也在不断变化。
5. 量子纠错：让计算更可靠
量子计算研究的另一个前沿领域是开发实时纠错技术，以减少外部噪声对量子比特的影响。同时，研究人员正在努力开发更抗噪声的硬件，从而能够运行更复杂的量子程序。借助硬件的进步和新的后处理技术（如误差缓解），量子计算机现在可以运行某些化学问题的量子电路，这些问题无法通过经典计算机的暴力计算方法精确模拟。这些被称为实用规模问题，通常需要包含100多个量子比特和1000多个量子门的量子电路。虽然目前的量子计算机还不足以运行某些重要的量子任务，例如著名的肖尔算法（用于分解数字），但它们仍然可以通过误差缓解技术为研究问题提供及时的价值。例如，在化学领域，样本量子对角化技术可以用于计算分子的性质，而其他用于化学、数据分析和优化的算法也显示出在未来几年内实现的潜力。
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6. 高性能量子软件：连接量子与经典的世界
这些方法需要高性能的量子软件。实用规模的量子算法通常需要多次运行量子电路，以从可能的解中采样。此外，大多数量子计算程序需要量子和经典处理的结合，这就要求软件能够快速高效地在两者之间传递数据。因此，量子软件不仅要在量子计算机上高效运行，还要在量子和经典处理协同工作时表现出色。
7. 量子软件开发工具包：让量子计算触手可及
为了使量子计算更加实用，开发者正在构建和维护高性能的量子软件开发工具包（SDK），例如IBM的Qiskit、Quantinuum的TKET和Google的Cirq。同时，开发者创建了通用电路作为基准，以便这些SDK能够衡量其运行这些电路的速度和效率。IBM维护了一个开源包，将这些电路适应于1000多个测试，以比较Qiskit与其竞争对手的性能。量子SDK的维护者需要保持开放和透明，以便用户能够持续评估其运行这些和其他电路的能力。维护者还应使用开源工具进行性能比较，并公开发布结果，不仅让开发者能够监控量子SDK的持续发展，也让量子社区能够共同努力，保持基准测试的相关性。
8. 量子计算的未来：走向量子优势
软件不仅要快速高效，还要像经典计算一样，允许开发者使用更高级、更抽象的语言，而无需深入到硬件细节。量子软件开发工具包的维护者必须开发能够“隐藏”量子电路细节的工具，让用户无需学习量子计算硬件的复杂性即可编写量子代码。随着时间的推移，量子软件开发工具包应该扩展其应用领域，开发出类似于化学模拟、机器学习和优化等领域中使用的领域特定函数库。这将使领域专家能够在不了解量子计算细节的情况下，轻松集成量子计算。
所有这些要求对于实现量子优势至关重要——量子优势是指量子计算机在某些问题上能够提供比经典计算更显著的改进。那时，有用的量子计算将真正走向世界。然而，实现这一目标并非单靠一家公司或个人能够完成。这是一个全球性的努力，需要物理学家、工程师、开发者、企业家、政府官员等各界人士的共同合作。量子计算的时代已经到来，让我们一起踏上这场旅程。
出处：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0019
注：本文基于Jerry M. Chow，(IBM Fellow and Director of Quantum Systems）的文章内容整理，旨在向公众普及量子计算的基本原理、技术挑战和未来发展方向，不得用于商业用途
撰稿丨唐子骞/王 毅
指导丨刘玉龙