量子飞跃挑战：加州大学伯克利分校将领导2500万美元的量子计算中心

艺术家对量子纠缠的再现。图片来源：NSF图片，作者：Nicolle R. Fuller

作为联邦政府加快量子计算机发展的努力的一部分，美国国家科学基金会（NSF）已在五年内向加州大学伯克利分校拨款2500万美元，以建立一家致力于推进量子科学和工程的多元大学研究所培训未来的劳动力以建造和使用量子计算机。

由加州大学伯克利分校领导的中心是NSF于2020年7月21日宣布成立的三个量子飞跃挑战研究所（QLCI）之一，投资额为7500万美元。这些计划是《 2018年国家量子计划法案》，白宫的未来产业计划以及NSF正在进行的量子飞跃计划的核心部分。

当前和未来量子计算的QLCI连接了加州大学伯克利分校，加州大学洛杉矶分校，加州圣塔芭芭拉分校和全国其他五所大学，利用大量的实验和理论量子科学家来改进和确定如何最好地使用当今的基本量子计算机。由私营企业或政府实验室建造。最终的目标是在我们的口袋里制造和移动电话一样普及的量子计算机，而移动电话是数字计算机。

加州大学伯克利分校物理学教授，该研究所所长丹·斯坦珀-库恩说：“从某种意义上说，我们正处在迈向量子计算的真正重大步伐上。” “我们认为量子计算机的发展将是一场真正的科学革命，这是当下的严峻科学挑战，尤其是当您考虑到计算机在社会所做的每件事中都起着核心作用这一事实时。如果您有机会改变计算机的本质，那么就几乎改变了其他所有东西。”

他说，它位于当今计算机产业的心脏地带，靠近硅谷，并位于加利福尼亚的主要大学和国家实验室，“使加利福尼亚州成为了量子计算研究的世界中心”。

量子计算机从根本上不同于我们的手机，笔记本电脑，汽车和设备中的数字计算机。您可以将数字计算机视为数以百万计的独立位的集合（1或0），这些位基于称为算法的一系列指令来回翻转每十亿分之一秒。问题越严重，说明列表越长。

在量子计算机中，每个位都与其他每个位链接在一起（量子纠缠在一起），因此，即使是100个量子位的状态描述也要比最大的经典数字计算机上存储的状态描述大得多。

加州大学伯克利分校计算机科学教授兼研究所所长Umesh Vazirani说：“将量子计算机的这种非凡的能力转化为实际解决计算问题非常具有挑战性，并且需要一种全新的算法思考方式。” “设计有效的量子算法是实现量子计算机巨大潜力的关键挑战。”

IBM的量子计算机，称为Q. Credit：照片由IBM提供

理论研究表明，量子计算机是完成某些重要任务的最佳方法：分解大量数据，加密或解密数据，搜索数据库或找到问题的最佳解决方案。在解决当前数字计算机上的许多计算问题所花费的时间内，使用量子力学原理来处理信息可以极大地提高速度。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学教授兼新研究所所长埃里克·哈德森（Eric Hudson）表示：“科学问题可能需要在宇宙时代才能在标准计算机上解决，而在量子计算机上可能只需要花费几分钟。” “我们可能有能力在量子计算机上而不是在实验室中设计新的药物来对抗疾病。学习分子的结构和设计有效的药物（每个药物都有数千个原子），本质上是量子挑战。量子计算机有可能计算出分子的结构以及分子的反应和行为。”

“我认为量子计算是不可避免的，” Stamper-Kurn补充说。“我不知道时间范围-是100年还是10年？—但我们正在谈论能力的指数增长。”

缩放问题

目前，量子计算机通常只将微不足道的50个或更少的量子位或qubit轭在一起。Stamper-Kurn说，但这是一项相当大的成就，考虑到它在过去十年中迅速实现，并且已经催生了新兴的量子计算机产业。鉴于这些进展，如果政府对基础研究和教育进行投资，以补充Google，微软，英特尔和IBM等公司所取得的技术进步，科学家和联邦政府将期待更快的进步。

新成立的研究所还包括南加州大学，加利福尼亚理工学院，德克萨斯大学奥斯汀分校，麻省理工学院和华盛顿华盛顿大学西雅图分校，将解决该领域的一些重大挑战。

NSF计划主管Henry Warchall说：“我们知道量子计算机正在兴起中-全国各地都有研究人员致力于构建和测试它们。” “但是任何拥有计算机的人都会告诉您，没有软件可以在其上运行，硬件就无用了–这就是该中心将引导我们寻求解决方案的地方。NSF量子跃进挑战研究所目前和未来的量子计算将在量子计算硬件到位时帮助我们掌握关键的编程元素。”

该研究所面临的第一个挑战是确定当前量子计算机最适合的应用，以便充分利用当今的第一代计算机。

“人们谈论的是嘈杂的中型量子计算机或NISQ设备，这是我们目前拥有的。他们的工作能力非常有限，最重要的是因为他们不知道如何纠正计算过程中出现的错误。” Stamper-Kurn说。“它们将对小规模或小规模的计算有用，但至关重要的是我们找到有效使用它们的方法，因为这将刺激整个领域。”

该研究所还将解决为下一代量子计算机开发算法的长期挑战，该算法将在科学，经济和社会方面取得重大进展，并突破量子与经典计算能力之间的界限。

“要实现量子计算的全部功能，就需要开发一种有效的方案来校正量子机运行过程中的错误，以及用于测试和基准测试的协议，” Vazirani说。

理解量子计算机的计算能力是该领域最重要的挑战之一，并将成为向前发展的重要动力。这将需要大量增加从事这些问题的计算机科学家的数量。

“加州大学伯克利分校的西蒙斯计算理论研究所准备开展这种活动，”领导该研究所量子计算工作的瓦兹拉尼说。“西蒙斯研究所是计算基础的圣地，它将接待大量量子计算研究人员，并促进那种紧密的，面对面的，跨学科的合作，这种合作可以带来快速的进步。”

Google的Sycamore芯片（一种量子计算机）在其量子低温恒温器中保持凉爽。图片来源：Eric Lucero / Google，Inc.

与加州大学洛杉矶分校的纯粹与应用数学研究所的合作也是关键，这将有助于将数学和数据科学工具应用于该领域。

挑战的规模还要求科学和数学/计算学科的领域专业知识的投入，以使量子算法设计能够针对特定问题进行定制。

Birgitta Whaley说：“量子算法设计正在进入协同设计的时代，在该时代中，特定的科学和计算约束以及维持量子算法基础上的脆弱量子相干性的需求，可以为特定的科学问题提供有效的解决方案，”加州大学伯克利分校化学教授兼研究所所长。“我们知道如何在小型系统上做到这一点，但是将规模扩大到大型量子机器给实施带来了新的挑战。这是我们在新研究所要解决的问题。”

来自化学，物理，材料科学，工程，数学和计算机科学领域的实验学家和理论家将解决其中一些突出的问题，尤其是如何将计算机的数量从数十个量子比特扩展到数百万个量子比特，而又不会丢失该集合的量子特性量子位。

“最大的问题是：如何使量子系统变得越来越大而不会使它的性能越来越差？” Stamper-Kurn说。“人们看到的是，随着事情变得越来越大，越来越多的噪声涌入，校准更加困难，连接也变得困难-很难让计算机的一部分与另一部分对话。”

该小组计划专注于使用不同量子系统作为量子位的三个实验平台：被困离子，被困原子和超导电路。

“其中一些系统在少数qubit的情况下就可以很好地工作，因此我们可以在提高其保真度，使其更加准确方面进行真正的努力。有些人自然会以更大数量的量子位运行，我们可以测试有关如何在有限的控制范围内操作量子计算机的想法，但是要使用很多量子位，” Stamper-Kurn说。“它们都处于技术发展曲线的早期，因此，通过在工程师的帮助下引入一些新技术，我们可以提高同时运行多个系统的能力。”

氩等离子体放电用于清洁离子阱，以在量子信息传输过程中实现更好的相干性。捕获离子是可伸缩量子处理设备最先进的候选者之一。图片来源：加州大学伯克利分校照片由HartmutHäffner提供

该赠款将在研究金，会议和讲习班的帮助下，促进来自许多领域的研究人员和博士生之间的互动。但是，其中一个重要的组成部分将是培训未来的劳动力，类似于在加州大学伯克利分校和斯坦福大学等大学进行计算机科学培训的方式，这推动了硅谷成为技术巨头的崛起。加州大学洛杉矶分校将试办量子科学和技术的硕士学位课程，以培训量子智能型劳动力，而大规模的在线课程或MOOC，将帮助甚至对于高中生传播知识和对量子计算机的理解。

该团队希望与能源实验室的部门合作，例如劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），该实验室于2018年启动了Advanced Quantum Testbed，以进一步基于超导电路进行量子计算。

该项目取得了部分成果，这要归功于整个UC联盟，加利福尼亚大学量子纠缠研究所，该联盟由UC的Multicampus研究计划和计划（MRPI）资助。

加州大学UC副校长Theresa Maldonado说：“该奖项认可了该团队的愿景，即计算量子科学的进步如何以最小的长度尺度揭示对现象的新的基本理解，从而有益于人工智能，医学，工程等领域的创新。”研究与创新。“我们很荣幸能带领国家吸引来自不同背景的优秀学生进入这一研究领域。”

该研究所的联合主任是加州大学洛杉矶分校的埃里克·哈德森；沃利（Whaley），伯克利量子信息与计算中心（QBIC）的联合主任；Vazirani，Roger A. Strauch电气工程和计算机科学教授，伯克利量子信息与计算中心（QBIC）联合主任；加州大学伯克利分校副教授兼物理学家Mike Gyorgy教授HartmutHäffner。

今天宣布的另外两个2500万美元的量子飞跃挑战研究所分别位于科罗拉多大学博尔德分校和伊利诺伊大学厄本那-香槟分校，并将分别专注于量子传感和量子网络。