前言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對算力的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何一個(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)量級加速的解決整數(shù)素因數(shù)分解問題的Shor算法、較經(jīng)典算法有平方量級加速的解決無序數(shù)據(jù)庫搜索問題的Grover算法和解決線性方程組求解問題的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量子計(jì)算進(jìn)行了介紹，反映了國內(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)算的特性來對各種計(jì)算問題的求解進(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)化問題的求解，文章梳理了近20年來利用量子計(jì)算加速優(yōu)化問題的主要設(shè)計(jì)技術(shù)，并側(cè)重介紹近5年來連續(xù)變量優(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)相對原算法有多項(xiàng)式加速.同時(shí)，文章提出了一個(gè)新的對經(jīng)典高效譜回歸進(jìn)行加速的算法，能處理原來量子算法無法處理的問題.

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)問題亟待解決.首先是量子糾錯(cuò)的問題.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)代一種對錯(cuò)誤進(jìn)行壓制的技術(shù)，相對量子糾錯(cuò)而言不需要巨大的開銷，它允許僅通過中等大小的額外資源來獲得可接受的計(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)針對并發(fā)量子程序映射問題提出了一種新的映射策略.除了以上2個(gè)問題之外，目前量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展相對經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說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)等問題都沒有統(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，及與該過程相關(guān)的高級程序設(shè)計(jì)語言、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)突出而越來越受到人們的關(guān)注.文章主要對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)相對熵來自于假設(shè)檢驗(yàn)問題，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)相對熵討論量子互信息的一些性質(zhì).

當(dāng)前美歐主要國家都在積極部署量子計(jì)算的發(fā)展，國家《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，推動(dòng)國內(nèi)量子計(jì)算科學(xué)的研究.