理论上，量子计算机在计算速度方面远远超过经典计算机。然而，为了在实践中实现这一点，需要设计更多、更新颖的高速算法，ETH超级计算专家Torsten Hoefler表示。

ETH苏黎世与Hoefler进行了访谈，讨论了他最近在ACM通讯上发表的综述文章。

量子计算机承诺能够比经典计算机更快地解决某些计算问题。这种承诺在多大程度上是真实的或者至少是现实的？

Hoefler：总体上，这种说法是正确的。量子计算机确实可以解决某些计算问题比经典计算机更快。我会说，它们的确能够将计算时间从数十年或数年缩短到几个小时甚至几分钟。尽管如此，这并不适用于所有计算问题。

哪些问题量子计算机不比经典计算机更快？

Hoefler: 比如，如果我们想要使天气预测或气候模拟变得更快，那么我今天还不知道如何利用量子计算机显著加速这些应用。同样地，我也不知道如何在今天利用量子计算机显著加速机器学习。此外，在湍流区域的流体动力学中，我们很可能在可预见的未来无法通过当前的量子算法获得实际优势。

您是否看到在基础研究或工业中，量子计算机能够在近期展示其优势的领域？

Hoefler: 目前，我们确定量子计算非常相关于广泛的研究和发展。我想到的问题包括破解基于素数分解的已知加密方案。或者，当涉及到以非常高的精度模拟化学系统时，量子计算具有惊人的影响潜力。

此外，量子计算非常有前景，可用于研究如模拟由量子效应所致的材料特性、未来的新药物、发明新型化肥或了解生物系统的工作方式等领域。在所有这些领域中，量子计算机都可以在加速计算时间方面发挥关键作用。

但这仍然是未来的愿景吗？

Hoefler：是的，但即使量子计算现在还不能应用于这些领域的每一个开放性问题，我们清楚地看到了如何更好地利用量子计算机的潜力的道路。但这并不适用于所有算法。你不能只是在量子计算机上运行任何算法，使你的计算自动变得更快。原则上，量子计算机可能解决任何计算问题，但它们的应用关键问题是它们实际上比经典计算机更快或成本更低地解决哪些问题。

在何种程度上您会重新评估关于量子计算机始终比经典计算机快的假设？

Hoefler：有些人认为量子计算机基本上更快，因为它们能够以平方级别的少量步骤来解决许多问题。但是单个量子计算步骤比经典计算步骤慢得多。由于量子力学的原理，如叠加，干涉或纠缠，解决给定问题所需要的计算步骤更少。这就是量子计算机承诺比经典计算机更快地解决某些问题的原因。然而，认为量子计算机可以比传统计算机更快地解决任何问题是错误的。

为什么呢？

Hoefler：鉴于当前量子计算的设计，每个计算步骤都比相应的经典计算步骤慢。这是由于量子计算中高复杂度的纠错和其他系统效果。此外，在传统计算中，行业在过去60年一直在推动技术，使其变得极度快速。今天，经典计算机每秒可以执行数百万到数十亿个步骤。另一方面，量子计算机每秒只能执行数十万到可能数百万个步骤。因此，量子计算并不在每种情况下都具有本质上的优势。我们试图驳斥的是这种全面量子霸权的误解。尽管如此，我非常乐观地认为我们将会建造可靠的量子计算机。

您的研究得出了哪些科学发现？量子计算机最有可能更快地解决哪些问题类型？

Hoefler：我们比较了市场领先的经典芯片和一个乐观设计的量子芯片在同一个问题上的性能。这样，我们是第一个确定量子计算机需要什么才能实现真正的速度优势的团队。我们的分析表明，在几乎所有算法中，经典计算机在非常小的问题规模上更快，而量子计算机在非常大的问题规模上更快。

这是因为，在量子计算机上解决特定问题的时间随问题规模的增大增长得比经典计算机慢（见图表）。这就是我们所说的量子加速。我们还看到，在一般情况下，量子计算机相对于小数据的“大型计算”问题更快、更实用，但它们不适用于大数据问题。

由于输入和输出带宽的限制，大数据是一个经典计算机更快计算的问题。此外，经典计算机也比量子计算机更快地解决数据库中的搜索问题。因此，在大数据背景下，量子计算被错误地炒作了。

您的研究结果之一是，“二次加速”不足以让量子计算机真正发挥其速度优势。

Hoefler：在我们的研究中，我们表明，对于可预见的未来，通过将算法的运行时间开根号来缩短计算时间的二次加速是不足以实现量子优势的。我们看到，如果只实现了二次加速，那么对于许多问题，量子计算仍然需要数月的时间，这在实践中太慢并且太昂贵。

由此，我们可以推断出至少需要基于第三和第四根的立方或四次加速，因为只有这样数千或百万次计算操作是可行的。但即使是立方或四次加速，也只是最低要求。必须专注于指数加速，其中量子算法的运行时间是经典算法的对数。因此，实现实际量子优势的最有前途的候选人是具有指数加速的小数据问题。

如何才能最终实现真正的高速量子计算？

Hoefler：实现量子加速的一项决定性关键是更多的新颖量子算法。在缺乏重大算法改进的情况下，很难在广泛引用的许多应用中实现实际量子优势。从实际角度来看，我们今天拥有的大多数量子算法都不能实现真正的量子加速。

即使我们知道立方、四次方或指数算法比二次算法产生更高的量子加速，但现实情况是，直到今天，我们仍然不知道许多立方或四次方加速算法。目前，许多量子加速算法依赖于二次量子加速，基于众所周知的 Grover 算法。

我们认为，设计更多的 Grover 风格算法是不够的。为了开发真正有所不同的新量子算法，算法研究需要专注于在实践中实现高量子加速的算法。否则，量子计算机可能无法胜过传统计算机最快的设备。

计算机科学家需要做什么才能实现真正的量子加速？

Hoefler：我们需要发明新的高速量子算法。大挑战在于我们现在仅有少数几个基本的量子算法，如Grover算法或Shor算法，它们广泛应用于化学或密码学领域。显然，开发新的基本算法非常困难。由于量子力学是一个复杂的数学概念，理解如何将其转化为有用的量子算法是一项巨大的工作。一般来说，每十年左右才会开发出一个基本算法。

下一步是量子算法设计的方向，尤其是在苏黎世联邦理工学院？

Hoefler：我们需要更多的计算机科学家和数学家研究新的量子算法。目前，很难找到优秀的量子算法科学家。巨大的机遇是将这种需求与ETH Zurich的教学使命相结合，并鼓励下一代科学家深入探究量子算法设计。拥有一个量子中心使我们能够自然地将数学家、计算机科学家围绕物理学家和工程师聚集起来，共同合作研究量子计算机。这就是ETH Zurich的机遇。