量子信息的过去、现在和未来(13)

6. 量子模拟的机遇
量子计算对社会的长期影响是什么？没有人知道这一点。我们也不应该期望能清楚地设想量子计算将如何改变世界。正如我所说，在目前最清楚地预见到的应用中，我们认为最有可能广泛造福人类的是化学和材料的应用，这可以改善人类健康、能源生产、农业和我们星球的可持续发展。
我们能否更具体地说明预期的影响？由于一些原因，这非常困难。我们寻求满足三个标准的量子计算应用。这些感兴趣的问题应该很难用传统计算来解决，量子计算机可以有效地解决，且解决方案应该具有科学和/或实用价值。
有一些使用传统计算机模拟复杂分子和高度关联材料的方法实际上相当不错，而且越来越快。这不仅是因为传统计算机越来越强大，更重要的是因为经典算法越来越好。对于基态和其他低能态特性的计算，经典方法是启发式的，没有严格的性能保证。但数值证据表明，使用经典方法（如基于张量网络和神经网络的方法）获得准确结果所需的资源随着具有科学意义的典型分子或材料的系统大小而在可接受范围内扩展，因为这些系统并没有那么深的纠缠。如果有的话，量子计算机对于此类问题所享有的优势可能是多项式的，而不是指数的[147]。而用于竞争的量子方法也是启发式的，因为为了有效地获得准确的结果，我们必须能够在量子计算机中制备与目标量子态有很大重叠的态，而这并不能严格保证。用于执行态制备任务的通用方法是绝热方法，在存在多个由一阶相变分隔的相互竞争的相的系统中，绝热方法的使用代价可能非常高，而我们感兴趣的情形通常都是如此。
在对动力学的量子模拟中，如果考虑容易制备的初始激发态，且这些激发态在演化过程中变得高度纠缠（如量子场论中基本粒子的高度非弹性碰撞[148]），我们可以预期这将有指数量子优势。这可能带来的科学机会是一个值得进一步研究的问题。
7. 量子引力的挑战
回到量子引力，我们可以切实地期望会在不久的将来取得的实质性进展的挑战是什么？
在反德西特空间量子引力的情况下，我们仍然无法很好地理解，为什么局域的量子物理能在与空间曲率的尺度相比很小的距离尺度上提供极好的近似。此外，我们生活的时空不是反德西特的，我们需要更好的工具来描述渐近平坦或正曲率时空中的量子引力。反德西特空间具有时空有边界这一便利性质，我们可以通过参考该边界来定义理论的可观测量。但是，与早期宇宙的膨胀宇宙学相关的德西特空间没有这种便利性质，这使得德西特空间中的量子引力本质上更难思考。