隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)算力的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往任何一個(gè)時(shí)代.為了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，各種具有潛在顛覆性影響的計(jì)算理論和計(jì)算模型獲得了越來(lái)越多的關(guān)注.量子計(jì)算作為其中最炙手可熱的研究方向之一，在過(guò)去的幾十年間，相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究成果都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展.量子計(jì)算是一門由數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和量子物理學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，通過(guò)利用量子狀態(tài)的相干性、糾纏特性、不可克隆性等量子力學(xué)基本原理，量子計(jì)算在實(shí)現(xiàn)某些計(jì)算任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出了超越經(jīng)典計(jì)算的計(jì)算能力，譬如較經(jīng)典算法呈指數(shù)量級(jí)加速的解決整數(shù)素因數(shù)分解問(wèn)題的Shor算法、較經(jīng)典算法有平方量級(jí)加速的解決無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)搜索問(wèn)題的Grover算法和解決線性方程組求解問(wèn)題的HHL算法等.

本專題共收錄了7篇論文，分別從量子算法、量子編譯、量子容錯(cuò)性、量子體系結(jié)構(gòu)和量子信息等方面對(duì)量子計(jì)算進(jìn)行了介紹，反映了國(guó)內(nèi)學(xué)者近期在量子計(jì)算理論研究方面的最新研究成果.

量子算法設(shè)計(jì)主要研究如何利用量子計(jì)算的特性來(lái)對(duì)各種計(jì)算問(wèn)題的求解進(jìn)行加速，是量子計(jì)算能夠超越經(jīng)典計(jì)算的核心關(guān)鍵.何鍵浩等作者的論文《量子優(yōu)化算法綜述》全面介紹了如何利用量子計(jì)算加速優(yōu)化問(wèn)題的求解，文章梳理了近20年來(lái)利用量子計(jì)算加速優(yōu)化問(wèn)題的主要設(shè)計(jì)技術(shù)，并側(cè)重介紹近5年來(lái)連續(xù)變量?jī)?yōu)化算法的相關(guān)技術(shù).潘世杰等作者的論文《量子譜回歸算法》探討了如何用量子計(jì)算技術(shù)改進(jìn)子空間學(xué)習(xí)算法的復(fù)雜度.文章指出了之前量子譜回歸算法的局限性，并采用了量子奇異值估計(jì)技術(shù)改進(jìn)了原算法，使得在處理稠密矩陣時(shí)相對(duì)原算法有多項(xiàng)式加速.同時(shí)，文章提出了一個(gè)新的對(duì)經(jīng)典高效譜回歸進(jìn)行加速的算法，能處理原來(lái)量子算法無(wú)法處理的問(wèn)題.

在利用量子力學(xué)的特性獲得超越經(jīng)典計(jì)算的加速能力的道路上，量子算法的設(shè)計(jì)并非任務(wù)之全部.當(dāng)有了一個(gè)好的量子算法之后，如何在量子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)該算法同樣是至關(guān)重要的問(wèn)題.受限于目前量子計(jì)算設(shè)備的局限性，至少有2個(gè)問(wèn)題亟待解決.首先是量子糾錯(cuò)的問(wèn)題.量子設(shè)備總是具有誤差的，并不能完美地實(shí)現(xiàn)理論上量子門所描述的效果.若不對(duì)這些錯(cuò)誤加以處理，錯(cuò)誤的積累會(huì)使得量子算法的實(shí)施變得毫無(wú)意義.張宇鹍等作者的論文《量子錯(cuò)誤緩解研究進(jìn)展》介紹和總結(jié)了量子錯(cuò)誤緩解技術(shù)的最新進(jìn)展，并展望了該技術(shù)未來(lái)發(fā)展的前景與方向.錯(cuò)誤緩解是在含噪聲中等尺度量子設(shè)備時(shí)代一種對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行壓制的技術(shù)，相對(duì)量子糾錯(cuò)而言不需要巨大的開銷，它允許僅通過(guò)中等大小的額外資源來(lái)獲得可接受的計(jì)算精度，并在理論及實(shí)驗(yàn)上展示出了其可行性.第2個(gè)問(wèn)題是量子比特映射.受限于目前量子計(jì)算設(shè)備的設(shè)計(jì)，并不是任何2個(gè)量子比特之間都可以放置量子門，即使可以放置，其錯(cuò)誤率也并不相同.量子比特映射問(wèn)題就要研究如何將量子算法映射至量子芯片中的健壯區(qū)域上，以獲得更高成功率.竇星磊等作者的論文《面向超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的程序映射技術(shù)研究》介紹了量子程序映射的相關(guān)成果，并對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行分類，深入分析了其特點(diǎn)與區(qū)別，同時(shí)針對(duì)并發(fā)量子程序映射問(wèn)題提出了一種新的映射策略.除了以上2個(gè)問(wèn)題之外，目前量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)還處于非常早期的階段，量子比特如何實(shí)現(xiàn)、量子算法如何轉(zhuǎn)化成可實(shí)現(xiàn)的量子電路、硬件軟件如何協(xié)同開發(fā)等問(wèn)題都沒(méi)有統(tǒng)一的解決方式.付祥等作者的論文《一種面向含噪中尺度量子技術(shù)的量子-經(jīng)典異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)》則探討了量子系統(tǒng)的構(gòu)建方式.文章對(duì)比了量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算在控制及執(zhí)行上的異同，并在此基礎(chǔ)上提出了面向NISQ時(shí)代的量子經(jīng)典異構(gòu)系統(tǒng).以一個(gè)典型的NISQ算法(迭代相位估計(jì)算法)為例，文章介紹了量子算法從軟件描述到硬件執(zhí)行的整體流程，及與該過(guò)程相關(guān)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、編譯器、量子軟硬件接口和硬件等.在此基礎(chǔ)上討論了流程中各個(gè)層次在NISQ時(shí)代面臨的挑戰(zhàn).

另外2篇論文側(cè)重于對(duì)量子計(jì)算的根基——量子狀態(tài)的相干性、糾纏特性、不可克隆性以及不確定性等量子力學(xué)基本原理的探討.李萌等作者的論文《兩硬幣量子游走模型中的相干動(dòng)力學(xué)》討論了量子游走模型，這是量子計(jì)算的一個(gè)重要模型，而多硬幣量子游走模型由于其在量子通信協(xié)議中表現(xiàn)突出而越來(lái)越受到人們的關(guān)注.文章主要對(duì)一維圓周上兩硬幣量子游走模型的量子相干性進(jìn)行了分析，該分析不僅能刻畫量子態(tài)的特點(diǎn)，也可以反映量子演化過(guò)程的性質(zhì).張淑儀等作者的論文《量子假設(shè)檢驗(yàn)互信息》討論了von Neumann互信息，這是Shannon互信息在量子信息中的推廣，在量子信道容量中有重要的應(yīng)用.由于量子態(tài)的非對(duì)易性，許多經(jīng)典信息論中的量化在量子信息中有完全不等價(jià)的推廣定義.量子假設(shè)檢驗(yàn)相對(duì)熵來(lái)自于假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題，是量子信息處理中常用的基本量化之一.在該文中則主要使用了量子假設(shè)檢驗(yàn)相對(duì)熵討論量子互信息的一些性質(zhì).

當(dāng)前美歐主要國(guó)家都在積極部署量子計(jì)算的發(fā)展，國(guó)家《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也強(qiáng)調(diào)了要加快布局量子計(jì)算，然而目前國(guó)內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域的人才非常缺乏，特別是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域從事量子計(jì)算的科研人員還很少，非常感謝《計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展》出版“量子計(jì)算”專題，希望本專題能夠吸引更多的科研人員投入到量子計(jì)算的研究中來(lái)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)量子計(jì)算科學(xué)的研究.