NISQ 是什麼意思
NISQ 代表 *Noisy Intermediate-Scale Quantum*（含雜訊中等規模量子）。John Preskill 在 2018 年提出這個術語，用來描述我們今天真正擁有的那種量子電腦，而不是許多人想像中那台容錯的機器。讓我們逐一拆解這三個詞，因為每一個都是對某種極限的承諾。
*Intermediate-Scale*（中等規模）意味著大約 50 到 1000 個 [[qubit|量子位元]]——大到你無法輕易在一台筆記型電腦上模擬這台機器，但又遠遠達不到一個真正強大的應用所需的數百萬個量子位元。*Noisy*（含雜訊）是關鍵詞：你施加的每一個閘都略有偏差，每一個量子位元都會慢慢忘記自己的狀態（參見去相干和相干時間，以 T1 和 T2 來衡量）。底層沒有運行任何錯誤更正來清理這些。你編程寫下什麼，得到的就是什麼，連同雜訊一起。
為什麼缺失的錯誤更正如此重要？因為錯誤會累積。如果每個閘有 99.9% 的可靠性（閘保真度為 0.999，對今天的硬體而言已屬優秀），那麼在大約 1000 個閘之後，你大約*一半*的訊號就消失了。僅這一個事實就限定了你在 NISQ 機器上能做的一切的預算：只能跑短電路，並且要接受答案是模糊的。
用含雜訊的量子位元能做什麼
如果電路必須保持很短，那到底什麼才有用？誠實的答案是：混合演算法——把大部分工作交給古典電腦，只在那個真正難以用古典方式模擬的環節才動用量子晶片。量子電腦跑一個小電路，你做測量，一個古典最佳化器去調整電路上的旋鈕，然後你不斷重複。雜訊確實有害，但一個短電路反覆跑很多次，仍然能提取出有用的訊號。
兩個最著名的例子是 VQE（變分量子本徵求解器），用於在量子化學中估計分子的基態能量；以及 QAOA（量子近似最佳化演算法），針對組合最佳化問題。兩者都遵循同一個迴圈：一個含參數的電路提出一個態，你測量一個能量或代價，再由一段古典程序把參數朝更好的值微調。量子部分被刻意保持得很淺。
在 NISQ 硬體上你做不到的，是以有意義的規模運行那些著名的教科書演算法。用於因數分解的 Shor 演算法需要深而精確的電路，包含數百萬個受到良好保護的操作；這需要 容錯，而 NISQ 機器並不具備。你手機裡的 RSA 金鑰在今天的硬體面前是安全的。NISQ 適用於短的、能容忍雜訊的混合工作負載以及物理實驗——而不是用來破解密碼學。
錯誤緩解（不是更正）
這裡有一個值得刻進石頭裡的區別。錯誤更正在*計算運行期間*就偵測並修復錯誤，方法是把一個邏輯量子位元分攤到許多物理量子位元上（表面碼是當前主流的方案）。NISQ 機器沒有這種能力。錯誤緩解則不同：它承認每一次運行都帶雜訊，轉而用巧妙的*後處理和額外的運行次數*來估計如果沒有雜訊答案本應是什麼。它從不產生一個乾淨的量子位元——它只是讓一個統計平均值變得更銳利。
一種常見的技術是*零雜訊外推*：你故意在幾個更高的雜訊水平下運行電路（例如透過拉長閘的作用時間），觀察測量值如何隨著雜訊增大而漂移，再外推回零雜訊那一點。其他方法則去估計並反轉測量誤差的模式，或者在電路的隨機化變體上做平均。所有這些都要付出多得多的測量次數（shots）的代價——緩解是用運行時間換來精度，而不是靠更乾淨的硬體。
基準測試與誠實
量子位元數量是人人都在引用、卻單憑它自己最缺乏資訊量的一個數字。一台有 1000 個量子位元、卻只能在去相干佔上風之前跑寥寥幾個閘的機器，比一台更小、更乾淨的機器還要弱。真正重要的是 [[gate-fidelity|閘保真度]]、相干時間（T1、T2）、量子位元連通性和測量精度這一整套的組合——也就是在結果淪為雜訊之前，你能把多少個*好*閘串聯起來。
這就是為什麼誠實的基準測試會努力刻畫品質，而不只是規模。*量子體積（Quantum volume）*是一個單一的數字，它同時獎勵更多的量子位元和更低的錯誤率，因此無法靠堆砌粗糙的量子位元來灌水。另一些報告用每秒電路層操作數（CLOPS）來表示速度，或者用針對特定應用的分數。當你讀到一條頭條時，要問：這些閘有多好，電路能跑多深，以及這是一個人為構造的任務還是一個有用的任務？
通往容錯之路
NISQ 之後的終局是 [[fault-tolerance|容錯]]：把許多含雜訊的物理量子位元編織在一起，透過錯誤更正構成少數幾個可靠的邏輯量子位元。閾值定理正是這件事之所以能行得通的根本原因——它證明了*只要*你的物理閘保真度優於某個閾值（對表面碼而言，約為每個閘 1% 的錯誤率），那麼每個邏輯量子位元用上更多物理量子位元，就能把邏輯錯誤率壓低到你想要的任意程度。
問題在於開銷。要把一個邏輯量子位元保護到足以運行像 Shor 那樣的演算法，每個邏輯量子位元可能要用上數百到數千個物理量子位元，所以一台有用的容錯機器可能需要數百萬個物理量子位元——遠遠超出今天的數百個。彌合這道鴻溝是這個領域核心的硬體挑戰，而且這是一個以年計、而非以月計的問題。