从理论上讲，量子计算机在计算速度上大大优于经典计算机。ETH超级计算专家TorstenHoefler说，要让他们在实践中做到这一点，就必须设计更多新颖的高速算法。

对于非常小的问题经典计算机速度更快

量子计算机有望比经典计算机更快地解决一些计算问题。这在多大程度上是真实的，或者至少是现实的?

TorstenHoefler：总的来说，这种说法是正确的。量子计算机可以从根本上比经典计算机更快地解决一些计算问题。我会说他们真的可以将计算时间从几十年或几年减少到几小时甚至几分钟。虽然这是事实，但对于所有计算问题来说并不现实。

对于哪些问题，量子计算机不会更快?

TorstenHoefler：例如，如果我们想更快地进行天气预报或气候模拟，那么到今天我还不知道如何使用量子计算机显着加速这些应用。

同样，我今天也不知道如何用量子计算机显着加速机器学习。此外，对于湍流状态下的流体动力学，在可预见的未来，我们很可能无法利用当前的量子算法获得实际优势。

您是否看到量子计算机在不久的将来可以在基础研究或工业中发挥其优势的应用领域?

TorstenHoefler：到目前为止，我们确信量子计算与范围广泛的研究和开发极为相关。我正在考虑诸如打破基于质因数分解的已知密码方案之类的问题。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，量子计算在研究领域非常有前途，例如模拟由量子效应引起的材料特性、未来的新药物、发明新肥料或了解生物系统的工作原理。在所有这些领域中，量子计算机对于加快计算时间至关重要。

但这仍然是未来的愿景吗?

TorstenHoefler：是的，但即使量子计算尚未适用于这些领域中的每一个悬而未决的问题，我们也清楚地看到了一条通往如何更好地利用量子计算机潜力的道路。但这并非适用于所有算法。

你不能只采用任何算法，在量子计算机上运行它，你的计算就会自动变得更快。原则上，量子计算机可以解决任何计算问题，但其应用的决定性问题是它们实际上比经典计算机更快或以更低的成本解决了哪些问题。

您在多大程度上修正了量子计算机总是比经典计算机快的假设?

TorstenHoefler：有些人认为量子计算机从根本上来说速度更快，因为它们能够以更少的步骤解决许多问题。但是单个量子计算步骤比经典计算步骤慢得多。

由于叠加、干涉或纠缠等量子力学原理，解决给定问题所需的计算步骤更少。这就是为什么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，相信量子计算机可以比传统计算机更快地解决任何问题是一种谬论。

这是为什么?

TorstenHoefler：鉴于当前的量子计算设计，每个计算步骤都将比相应的经典计算步骤慢。这是由于当今量子计算中纠错和其他系统效应的高度复杂性。此外，在传统计算领域，业界自60年来一直在推动技术发展，以至于它们变得非常快。

今天，一台经典计算机每秒可以执行数百万到数十亿步。另一方面，量子计算机每秒只能执行数十万到数百万步。因此，量子计算并非在所有情况下都天生优越。我们试图消除这种对包罗万象的量子霸权的误解。尽管如此，我非常乐观地认为我们将建造可靠的量子计算机。

与经典计算机相比，量子计算机在处理小数据量大计算问题时具有计算速度优势。

与经典计算机相比，量子计算机在处理小数据量大计算问题时具有计算速度优势。图片来源：苏黎世联邦理工学院、微软、ACM

您在研究中得出了哪些科学发现?对于哪些类型的问题，量子计算机最有可能更快?

TorstenHoefler：我们将市场领先的经典芯片的性能与优化设计的量子芯片的性能进行了比较，每个芯片都针对相同的问题。通过这种方式，我们是第一个确定量子计算机实现真正速度优势的确切要求的人。我们的分析表明，对于几乎所有算法，经典计算机对于非常小的问题规模更快，而量子计算机对于非常大的问题规模更快。

这是因为在量子计算机上解决某些问题的时间随着问题规模的增长比在经典计算机上要慢(见图)。这就是我们所说的量子加速。我们还看到，一般来说，量子计算机对于小数据的“大计算”问题相对更快、更实用，但对于大数据问题则不实用。

由于输入和输出带宽的限制，大数据是经典计算机计算速度更快的问题。此外，经典计算机还可以比量子计算机更快地解决数据库中的搜索问题。因此，量子计算在大数据背景下被炒作。

您的一项发现是，“二次加速”不足以让量子计算机真正利用其潜在的加速优势。

TorstenHoefler：在我们的研究中，我们表明二次加速(通过对算法的运行时间求平方根来减少计算时间)在可预见的未来不足以实现实际的量子优势。我们看到，如果只实现二次加速，那么对于许多问题，量子计算仍然需要几个月的时间，这在实践中会太慢且成本太高。

由此，我们得出至少需要基于三次和四次根的三次或四次加速，因为只有这样才能进行数千或数百万次计算操作。但即使是三次或四次加速也只是最低要求。有必要关注指数加速，其中量子算法的运行时间是经典算法运行时间的对数。因此，实现真正实用的量子优势的最有希望的候选者是具有指数加速的小数据问题。

需要采取哪些不同的措施才能最终实现真正的高速量子计算?

TorstenHoefler：实现量子加速的一个决定性关键是更新颖的量子算法。如果没有重大的算法改进，广泛的经常引用的应用不太可能产生实际的量子优势。从实用的角度来看，我们今天拥有的大多数量子算法都无法实现真正​​的量子加速。

即使我们知道三次、四次或指数算法比二次算法产生更高的量子加速，但实际情况仍然是，到今天我们只是不知道很多三次或四次加速算法。目前，许多量子加速算法都依赖于基于著名的Grover算法的二次量子加速。

我们认为设计更多Grover风格的算法是不够的。为了开发真正有所作为的新量子算法，算法研究需要关注在实践中实现高量子加速的算法。否则，量子计算机的性能可能不会超过最快的经典计算机设备。

计算机科学家需要什么才能实现真正的量子加速?

TorstenHoefler：我们需要发明新颖的高速量子算法。最大的挑战是，现在我们只有少数基本的量子算法，例如广泛用于化学或密码学的Grover算法或Shor算法。

显然，开发新的基础算法是非常困难的。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艰巨的任务。根据经验，大约每十年就会开发出一种基本算法。

量子算法设计的下一步是什么，尤其是在苏黎世联邦理工学院?

TorstenHoefler：我们需要更多的计算机科学家和数学家来研究新的量子算法。到目前为止，很难找到优秀的量子算法科学家。

一个巨大的机会是将这种需求与苏黎世联邦理工学院的教学使命相结合，并鼓励下一代科学家深入研究量子算法设计。拥有一个量子中心可以让我们自然地将数学家、计算机科学家聚集在物理学家和工程师周围，以便在量子计算机上进行协作。这是苏黎世联邦理工学院的机会。