2017年12月，加州理工学院物理学家、“量子霸权”（Quantum Supremacy）概念提出者John Preskill在位于加州山景城NASA Ames 研究中心举办的商用量子计算会议（Quantum Computing for Business）上，首次提出了“含噪声中等规模量子”（Noisy Intermediate-Scale Quantum，NISQ）这一术语，并随后发表文章“Quantum Computing in the NISQ era and beyond”（NISQ时代中的量子计算及其超越）。他当时可能未曾想到，NISQ这一词语将被广泛用于定义这十年来量子计算中最关键的步骤之一。
Preskill认为，很有可能在四年内实现50到100个量子比特的量子计算机，但NISQ中的“噪声”使得我们只能有限地控制量子比特，而这将严重限制NISQ时代量子计算机的实用性。
John Preskill
图源：CalTech
同年12月，在Q2B硅谷演讲中，Preskill就NISQ时代是否即将落幕这一点表示怀疑，因为他认为，目前还没有提出具有商用价值的NISQ计算应用程序，也没有发现不需要纠错码的应用程序。
即便如此，我们仍然可以通过提高操作精度、使用纠错码等手段大大提高NISQ计算机的实用性，这也使得量子计算机有望向商用计算机发展。
日前，EE Times Europe发表了题为“How Close Are We to Commercial Quantum Computers?”（我们距离商用量子计算机有多近？）的文章。为了更深刻地理解我们当下所处量子计算发展阶段，光子盒基于这篇文章，编译了本文。本文仅作信息交流，不构成投资建议。
为了了解我们在“从NISQ到容错量子计算之旅”中置身何处，EE Times Europe采访了三位专家：英国深度技术投资公司Bloc Ventures研究主管David Pollington、德国弗劳恩霍夫协会量子计算项目负责人Hannah Venzl和德国量子控制研究所所长Tommaso Calarco。
NISQ计算机代表了量子计算发展的一个阶段，具有以下特征和限制：
1. 含噪声（Noisy）：NISQ计算机在执行量子操作时难免会引入噪声，这有可能导致量子比特的测量结果出现错误，例如比特翻转（bit flip）或相位翻转（phase flip）。这些噪声来源于多种因素，包括但不限于环境干扰、不完美的量子门操作、测量误差等。
2. 中等规模（Intermediate-Scale）：NISQ计算机的量子比特（qubit）数量在50到1000个之间。这个规模对于展示量子计算的潜力和执行某些量子算法来说是有意义的，但仍然不足以解决一些大规模的量子计算问题，如果按照50-1000个量子比特这一标准，那么自从IBM在2023年12月发布包含1121个量子比特的Condor（秃鹰）超导量子处理单元（QPU）之后，人类已经在量子比特数量上超过中等规模。
3. 程序长度限制：量子退相干和量子门错误会导致量子信息的丢失，因此NISQ计算机无法执行过长的量子程序。量子程序的长度受到量子相干时间的限制。
4. 量子比特的连接性：在实际的量子计算机中，并非所有量子比特都可以相互之间进行交互。量子比特的连接性通常由一个量子硬件的拓扑图来描述，这限制了可以执行的多量子比特门的类型和数量。
NISQ计算机好比是经典计算机中的GPU，专门针对某类问题提供加速计算，而不是通用目的的CPU。它们被视为量子计算发展的一个中间阶段，旨在展示量子加速的潜力，并为特定问题提供比经典计算机更快的解决方案。
在全球范围内，量子领域实乃创新的温床，并且创新活跃到我们难以确切理解我们当下的位置，以及哪些应用案例可能会蓬勃发展。量子技术有多种应用，从量子计算到量子通信，再到量子成像、量子时钟、量子惯性导航等等。
英国深度技术投资公司Bloc Ventures的研究主管David Pollington表示：“回顾2022年，围绕量子的炒作非常多，以至于许多投资者纷纷涌入。人们对量子在计算方面的潜能有众多期待。有趣的是，自从2022年底到2023年初，生成式人工智能爆发以来，大部分炒作更多地围绕在人工智能上。然而，投入量子领域的资金比投入到自动驾驶汽车和人工智能等领域的还要多。”
Pollington认为，大多数人将量子技术视为未来某个阶段的变革性技术，并且更多是把它当成何时出现的问题，而非是否发生的问题。人们已经开始理解量子力学和量子效应，并将其应用于商业问题。Pollington指出，在经典计算机上使用量子模拟器来解决商业问题，可以展示量子计算的能力及其加速问题解决的潜力。
David Pollington
图源：EE Times Europe
德国弗劳恩霍夫量子计算能力网络的项目管理部门负责人兼大型项目管理的负责人Hannah Venzl也提出，过去几年量子技术资金的激增。她指出，整个欧洲的专业知识水平很高，许多团队专注于基础研究，这是欧洲组织的强项。Venzl说，“现在的棘手部分是如何将这些专业知识转化为应用，并在欧洲实现它们。对于量子技术，我们需要确保我们不会错过任何东西，并且是发现成果商业化的那部分。”
Hannah Venzl
图源：EE Times Europe
商业化之路对于许多技术创新来说是一条充满挑战又至关重要的道路，量子技术也不例外。德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）量子控制研究所的所长Tommaso Calarco观察到，尽管存在许多量子平台和目标应用，“让研发起步并将其商业化的主要方面是使这些系统可扩展，使其低成本、坚固耐用，且能够在科学实验室之外发挥作用。”
Tommaso Calarco
图源：EE Times Europe
Calarco强调了让企业工程实验室也开始从事量子研究的必要性。“这并不是说科学已经完成，”他补充道，“除了进一步的基础科学研究，我们还需要大量的工程工作。这是从技术方面来说，但当我们想要向市场迈进时，我们需要大量参与，以及让初创企业蓬勃发展。”
他再次强调了资金需求的重要性：“通常情况下，技术从实验室转移到实际应用的第一步是通过初创公司实现的，很多时候是由学术界的同事资助这些初创公司，但接下来它们必须发展壮大。这就需要大量的资金投入。”
Calarco补充道，欧盟和英国在资金方面的态度有所不同。“在英国，私人投资公司的参与已经存在多年，并且与欧盟相比差异非常显著，而在欧盟，这样的参与尚未如此明显。”
问题依然存在：使用NISQ时代的计算机能否做出有用的事情，或者潜在量子市场是否应该等待纠错码带来容错量子计算机。“我认为，任何给你一个明确答案的人都是在夸大其词，”Venzl说。“真正的量子优势尚未展现。尽管无法预测，但是量子计算发展仍然具有前景的。有几个因素需要考虑。首先，关于硬件仍然存在一些开放的技术问题。我们需要更多的量子比特，也需要更好地控制它们；这确实是一个艰巨的任务。”
Venzl强调，构建量子计算机的几种方式，每种方式都有其优缺点，但都有一个共同点，那就是每种方法都有重大的障碍需要克服。软件开发是量子计算的一个复杂因素。“这是一个不同的计算范式，”她说。“你可以使用你的经典算法，并将其放在基于门的量子计算机上，但那不会利用它的性能。我们需要将我们的问题转化为适合量子计算机的问题。我们已经学到了很多，但仍然处于学习阶段。”
Pollington表示，他相信“每个人都在朝着容错量子计算机的方向发展，因为用几百个量子比特能做的事情有限。人们经常提到破解RSA安全算法的能力，研究表明，2000万个量子比特只需要8个小时就可以完成2048位RSA的解码计算。你可以用几百个量子比特做一些事情，但我认为在达到至少几千个逻辑量子比特之前，商业价值不会太大。我认为每个人都在盯着彩虹尽头的金罐子，那就是他们前进的方向。NISQ时代真的只是原型设计阶段，尝试学习如何搭建能够带来商业价值的容错计算机。”
Calarco承认Preskill关于NISQ的论点，即NISQ时代已经落幕，但Calarco还表示，这并不意味着NISQ不再重要。“我们已经踏上迈向新时代的旅程，但能否找到利用NISQ量子计算机的用例并部署在工业是一个相当开放的问题，”他说。
人们越来越认识到，并非所有的计算任务都适合量子处理。许多算法在量子计算机上的运行速度比在经典平台上慢，而且许多应用和任务压根无需容错量子计算机将要提供的性能水平。因此，支持将经典和量子计算机结合起来的混合模型的提议正在增加。这种方法也适合云基础设施模型，特别是对全球超大规模的云服务提供商来说，他们可能视自己为使量子计算广泛可访问的逻辑门户。
鉴于NISQ计算机的种种限制，研究者们开发了量子-经典混合算法。这些算法将问题分解为多个模块，其中一些模块由量子计算机处理，而其他模块则由经典计算机处理。这种混合方法利用了量子计算在某些计算任务上的优势，同时依靠经典计算机来管理纠错、优化和协调量子计算模块。
混合算法的一个例子是量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm，QAOA），它用于解决优化问题。在QAOA中，量子计算机用于探索解空间，而经典计算机则用于选择最佳解决方案和调整量子算法的参数。
随着量子硬件的改进和量子算法的发展，NISQ计算机有望在药物发现、材料科学、密码学和复杂系统模拟等领域发挥重要作用。然而，要实现这些目标，还需要在量子纠错、量子门保真度提升和量子算法设计等方面取得进一步的突破。
Pollington观察到，许多用户希望在实际硬件上尝试算法，例如量子加速器。“我认为你会看到量子加速器首先出现，并可能支持通过经典计算运行的问题；它将是一个混合模型，”他说。“此外，如果你看一些量子计算机的可访问性，比如超导计算机，它们如此之大且依赖于低温，以至于它们将通过云进行访问。这类似于在云中访问GPU。”
Venzl支持混合模型，并指出“经典计算机将被用来控制量子计算机和激光器等，所以我们将始终使用它们。也许这种情况在未来会有所改变，但在接下来的十年左右不会。”此外，Venzl指出，关于量子计算机的研究推动了经典计算的发展。“每当有人发表一个量子解决方案，几个月后，便有人找到至少同样强大的经典计算解决方案。”
早期接触量子计算机对于持续的科学研究至关重要，同时对于工业商业探索和理解这些机器的能力也非常重要。Calarco观察到，业内人士的普遍共识是开放对量子计算机的访问。他强调，欧盟委员会的量子旗舰计划（Quantum Flagship Initiative）、欧洲高性能计算联合企业（EuroHPC JU）和高性能计算机-量子模拟器（HPCQS）混合项目可以作为面向学术和工业用户构建欧洲量子计算基础设施以支持广泛应用开发的三则示例。
针对“量子炒作是否使得潜在用户对量子计算机潜在能力的期望过高？”一事，Venzl回答道，“我认为也许几年前，预期管理并没有得到很好的考虑，但现在人们对他们承诺的事情以及他们认为在未来几年内可能实现的事情更加严肃。量子计算并不容易，理解它的工作原理需要大量的工作，这是一个不同的范式，编写代码、开发算法、编程量子计算机都绝非易事。”
Pollington指出了将量子脆弱性转化为优势的机会。“具有讽刺意味的是，量子计算的一个阿喀琉斯之踵（Achilles' Heel）是其对环境的敏感性和退相干的挑战，然而另一方面，这使得量子在传感方面非常出色，”他说。“我们看到很多初创公司利用量子效应进行传感方面的产品研制。”
“我认为量子传感是一个可能具有更多商业机会的领域，然后量子计算将在本十年末成为焦点，”Pollington补充道。