无论以何种标准衡量，在过去几年里，构建实用的量子计算机的进展都令人惊叹。尽管如此，量子科学家和工程师在攀登可扩展的通用量子计算顶峰的过程中仍处于起步阶段。在本文中，我们将研究这些研究人员在使用量子计算机解决更多日常问题之前必须解决的主要挑战，例如寻找疾病和医疗条件的治疗方法以及为可持续经济发现新材料。

是什么让量子计算如此困难？

量子计算使用量子位而不是经典位。量子比特具有奇怪的特性，至少与经典计算现实相比是这样。量子位可以存在于状态的叠加中，这意味着它们可以同时表示多个值，它们也可以相互纠缠，从而允许并行计算。这使得量子计算在某些类型的问题上可能比经典计算快得多，例如因式分解和数据库搜索。

然而，量子计算也具有挑战性，原因有几个。可以说，最大的挑战是量子比特退相干。量子比特对环境极其敏感，即使是很小的扰动也会导致它们失去量子特性，这种现象被称为退相干。掌握退相干的斗争可能需要新的材料、新的计算技术和对各种量子方法的深入探索。不仅仅是硬件。量子算法比经典算法复杂得多，需要开发人员以原始的方式来处理计算问题。

面临的挑战是什么？

这种复杂性为量子计算科学家、工程师和企业家带来了以下挑战。

纠错

大多数专家认为这是最大的挑战。量子计算机对与其环境相互作用引起的噪声和错误极为敏感。这会导致错误累积并降低计算质量。因此，开发可靠的纠错技术对于构建实用的量子计算机至关重要。

可扩展性

虽然量子计算机在某些任务上表现出了令人印象深刻的性能，但与经典计算机相比，它们依旧相对较小。将量子计算机扩展到数百或数千个量子位，同时保持高水平的相干性和低错误率依旧是一项重大挑战。

硬件开发

开发高质量的量子硬件，例如量子比特和控制电子设备，是一项重大挑战。有许多不同的量子位技术，每一种都有自己的优点和缺点，开发可扩展、容错的量子位技术是研究的主要重点。

软件开发

量子算法和软件开发工具仍处于起步阶段，需要新的编程语言、编译器和优化工具来有效利用量子计算机的能力。

经典计算机接口

量子计算机不会取代经典计算机；它们将作为补充技术。开发在经典计算机和量子计算机之间传输数据的高效可靠的方法对于实际应用至关重要。

标准和协议

随着量子计算领域的成熟，需要针对硬件、软件和通信接口的标准和协议。制定这些标准对于确保不同量子计算平台之间的兼容性和互操作性至关重要。我们还应该加入基准测试——衡量性能标准的能力在量子计算设计、开发和运营方面仍处于起步阶段。

训练有素的人才

受过适当教育和培训以进入量子劳动力队伍的人数很少，而且分布在世界各地。找到合适的工人是一项挑战。在先有鸡还是先有蛋的情况下，在我们拥有更多实用的量子计算机之前，我们不会增加有动力进入量子劳动力的人数，并且在我们有更多的人有动力加入其中之前，我们不会有更多实用的量子计算机量子劳动力。

整体费用

也许这是所有上述挑战的明显结果，但费用依旧是量子计算的巨大障碍或绊脚石。两个Steves在他们的车库里拼凑量子计算机的可能性不大。量子人才是昂贵的。量子硬件很昂贵。供应链复杂、脆弱，而且建立和维护成本高昂。在可预见的未来，处理这些费用并寻找投资来抵消这些成本可能是机构科学家和商业企业家的标准职责。

挑战并非不可能

这份清单有点令人望而生畏，但有很多理由充满希望。政府机构等资助机构正积极投资应对这些量子挑战。几乎每天，研究人员都在应对工程和科学挑战以创造实用的量子计算机。

最后，让人类登上量子山顶可能不是一次巨大的飞跃。相反，要克服这些挑战，需要许多微小的进步、许多微小的立法胜利和许多微小的商业胜利。