以下是原载于美国国家标准与技术研究院(NIST)官方博客“Take Measure”的问答。
随着量子计算机的兴起成为越来越多新闻文章的主题——尤其是那些预言这些设备能够破解保护安全信息的加密技术的文章，比如我们的银行转账——与一位量子专家交谈是很有启发性的，他实际上正在开发这些尚未实现的机器背后的想法。普通计算机处理的数据位可以是0或1，而量子计算机处理的数据位可以同时是0和1（称为量子位），这使它们能够以指数级速度执行某些功能，比如尝试不同的密钥来破解加密。
普通计算机处理的数据位可以是0或1，而量子计算机处理的数据位称为量子位，可以同时是0和1，这使它们能够以指数级速度执行某些功能，比如尝试不同的密钥来破解加密。
美国国家标准与技术研究院（NIST）公共事务专家Chad Boutin采访了NIST/马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心（QuICS）和联合量子研究所的NIST理论家Alexey Gorshkov，他在物理学和计算机科学研究的交叉领域工作。他的努力正在帮助设计量子计算机，揭示它们可能拥有的能力，并展示为什么我们都应该为它们的创造感到兴奋。
我们都听说过量子计算机，并且世界上有很多研究小组正在努力帮助建造它们。您的理论工作对他们有什么帮助以及您将如何做?
我致力于研究量子计算机硬件。量子计算机将不同于我们都知道的经典计算机，它们将使用称为量子比特的存储单元。我所做的一件事就是提出各种由不同材料组成的量子比特系统的想法，比如中性原子。我还谈到了如何制作逻辑门，以及如何将量子位连接到一台大型计算机中。
我的小组做的另一件事是提出量子算法:一种可以在量子计算机上运行的软件。我们还研究大型量子系统，找出那些有希望比传统计算机更快地进行有用的计算的系统。所以，我们的工作涵盖了很多领域，但还有很多事情要做。我们面前有一个巨大而复杂的怪兽，我们试图用所拥有的任何工具去凿开它。
您专注于量子系统。量子系统是什么?
通常来说，在非常小的尺度上，世界遵循量子力学。人们知道原子和电子，它们是小的量子系统。与我们所知道的大物体相比，它们的奇特之处在于它们可以同时处于两种看似不相容的状态，比如粒子同时在两个地方。这些系统的工作方式起初很奇怪，但你会了解它们。
由一堆原子组成的大型系统与单个粒子不同。我们想要利用的那些奇怪的量子效应很难在更大的系统中维持。假设你有一个原子作为量子存储位工作。像附近磁场这样的小干扰有可能导致原子丢失其信息。但是如果你有 500 个原子一起工作，那么这种干扰导致问题的可能性是 500 倍。这就是为什么经典物理学这么多年来一直运行良好的原因：因为经典效应很容易压倒奇怪的量子效应，通常经典物理学足以让我们理解我们日常生活中知道的大物体。
我们正在做的是试图理解和构建“保持量子”的大型量子系统——我们专家称之为“相干”——即使它们很大。我们想要结合很多成分，比如 300 个量子比特，同时确保环境不会破坏我们想要利用的量子效应。不被环境破坏的大型相干系统很难在经典计算机上创建甚至模拟，但相干也是使大型系统像量子计算机一样强大的原因。
大型量子系统的吸引力是什么？
试图理解大型量子系统的首要动机之一是潜在的技术应用。到目前为止，量子计算机还没有做任何有用的事情，但人们认为他们很快就会做到，这很有趣。量子互联网将是一个安全的互联网，它还可以让你连接许多量子计算机，使它们更强大。我对这些可能性着迷。
它的迷人之处还在于基础物理学。你试着理解为什么这个系统会做一些有趣的事情。我想很多科学家就是喜欢这样做。
您个人为什么对量子研究这么感兴趣?
我第一次接触到它是在我大三的时候。我很快发现它融合了数学、物理、计算机科学以及与实验人员的互动。所有这些领域的交集是它如此有趣的原因。我喜欢看到其中的联系。你最终从一个领域得到了一个想法，并将其应用到另一个领域，它就变成了一件美丽的事情。
很多人担心量子计算机将能够破解我们所有的加密，揭示我们所有的数字化秘密。量子计算机可能会做哪些不那么令人担忧的事情让您感到兴奋？
在我说什么让我兴奋之前，让我先说，重要的是要记住，不是所有的加密都会被破解。一些基于数学问题的加密协议容易受到量子计算机的攻击，但其他协议则不会。NIST的后量子密码学项目正在研究可以挫败量子计算机的加密算法。
至于什么让我兴奋，有很多!但这里有几个例子。
我们可以做的一件事是模拟。我们或许能够模拟化学、材料科学和核物理中真正复杂的事物。如果你有一个大而复杂的化学反应，并且你想弄清楚它是如何发生的，你必须能够模拟一个大分子，它周围的云中有很多电子。乱七八糟的，很难研究。而量子计算机原则上可以回答这些问题。所以也许我们可以利用量子计算寻找新药物。
另一种可能性是为经典优化问题找到更好的解决方案，这给经典计算机带来了很多麻烦。一个例子是，“在复杂的供应链网络中，有哪些更有效的方式来指导发货？” 目前尚不清楚量子计算机是否能够比经典计算机更好地回答这个问题，但还是有希望的。
上一个问题的后续：如果量子计算机还没有真正建成，我们如何知道它们的能力？
我们知道——或者认为我们知道——量子比特所依赖的微观量子理论，所以如果你把这些量子比特放在一起，我们可以用数学方法描述它们的能力，这将告诉我们量子计算机可能能够做什么。它是数学、物理和计算机科学的结合。你只要用这些方程式，然后以极大的热情去实现它。
有怀疑论者说，可能会有我们还不知道的影响会破坏大型系统保持连贯性的能力。这些怀疑论者不太可能是对的，但反驳他们的方法是在越来越大的量子系统上进行实验。
您在追求一个特定的研究目标吗?你有什么想要实现的梦想吗?为什么?
主要动机是一台可以做一些有用事情的量子计算机。我们生活在一个激动人心的时代。但另一个动机就是玩得开心。作为一个八年级的孩子，我会尝试解决数学问题以获得乐趣。我只是无法停止对它们的工作。当你玩得开心时，你会发现很多东西。我们现在解决的问题类型对我来说同样有趣和令人兴奋。
最后，为什么选择 NIST？为什么在测量实验室进行这项研究如此重要？
Quantum 是 NIST 的核心，其成员就是原因。 NIST有顶尖的实验家，包括多位诺贝尔奖得主。NIST为我们提供了进行伟大科学研究的资源。为公共机构工作是件好事，在那里你可以为社会服务。
在许多方面，量子计算源于 NIST 和测量：它源于试图构建更好的时钟。 Dave Wineland对离子的研究在这里很重要。 Jun Ye对中性原子的研究也是如此。他们的工作导致了对离子和中性原子的惊人控制的发展，这对于量子计算非常重要。
测量是量子计算的核心。许多人正在研究的一个令人兴奋的开放性问题是如何衡量我们所说的“量子优势”。假设有人说:“量子计算机经典计算机相比，优势有多大?”我们正在研究如何衡量这一点。
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