11、量子计算：技术、挑战与应用前景

量子计算：技术、挑战与应用前景

1. 量子计算简介

量子计算自 20 世纪 80 年代诞生，21 世纪初硬件原理得到初步验证后，取得了巨大进展。尽管该技术仍在发展中，但许多人认为有噪声的中型量子（NISQ）计算机可能很快会超越传统计算机，这得益于量子计算硬件的快速发展以及全球许多国家的大量资金投入。

目前，量子计算缺乏足够的实际量子比特来开发强大的纠错系统，因此只能用于轻量级任务，直到更强大的量子计算机出现。NISQ 机器已通过一系列演示证明，在处理适合量子计算的部分任务时，比传统计算机更有效。

可在 NISQ 机器上运行的算法通常只需要少量量子比特，具有一定的抗噪声能力，常被建模为混合算法，即部分步骤在量子设备上完成，部分在普通计算机上完成。由于量子设备本身的能力有限，必须尽量减少操作（量子门）的数量，因为操作时间越长，量子态引入的误差就越多，越容易发生退相干，这也极大地限制了可实现的算法选择。

一些著名的量子算法，如用于分解素数的 Shor 算法和用于无结构搜索问题的 Grover 算法，并不适用于当前任务。而变分量子本征求解器（VQE）在 NISQ 算法领域表现出色，它能同时解决大量变量的问题，常用于计算分子和材料的能量特性，通常从计算哈密顿量基态能量的上限开始。

传统计算化学基于一个多世纪的研究成果，为近似上述特性提供了有效方法，但在对大型系统进行高精度计算时，成本会变得难以承受。这是因为计算化学在研究分子系统时，往往因对电子间相关性处理不足而缺乏足够的精度，且随着系统规模的增加，计算复杂度呈指数级增长，使得精确的量子化学方法在当前技术下难以实现。因此，研究人员开始探索 VQE 等其他方法，希望能比当前的计算机范式更有效地解决此类问