谷歌公布72量子比特量子处理器 “量子霸权”真的要来了？

在提出“量子霸权”一年多时间后，谷歌终于迎来了自己在量子计算领域里新的突破。

当地时间3月5日，谷歌量子人工智能实验室（Quantum AI Lab ）研究科学家Julian Kelly 在谷歌的官方博客上公布了自己的最新研究成果：一款拥有72量子比特，名为Bristlecone（编注：中文译为“狐尾松”）的量子处理器。基于这款量子处理器，谷歌称将为研究员提供测试平台,来研究量子技术的可扩展性，以及在量子仿真、应用优化和机器学习等方面的能力。

谷歌在洛杉矶举行的美国物理学会年会上展示了这款新的处理器。“我们刚开始测试，”谷歌物理学家John Martinis说：“从目前我们所知道的情况来看，我们非常乐观。”Martinis说，如果一切运作良好，量子霸权（quantum supremacy）可能会在几个月内实现。

谷歌首发72个量子比特处理器

在博客中， Kelly详细介绍了新款量子处理器。该装置设计的指导原则是谷歌早先推出的9量子比特线性阵列技术。当时，谷歌已经证明了该方法可以做到低读出错误率（1%），单量子比特门错误率为0.1%，以及最重要的双量子比特门错误率为0.6%。

左边是谷歌最新的72量子比特量子处理器Bristlecone。右边是该设备的图示：每个“X”代表一个量子比特，量子比特之间以线性阵列方式相连。图片均来自谷歌量子人工智能实验室。

新量子处理器采用了相同的耦合、控制和读出方案，但被运用到了72个量子比特的正方形阵列上。之所以选择这个大小，谷歌称是为了能在未来展示“量子霸权”，能够使用面编码研究一阶和二阶纠错，并促进量子算法在实际硬件上的发展。

“谷歌量子人工智能实验室的目标是建立一个量子计算机，可以用来解决现实世界的问题。我们的策略是利用与大规模通用纠错量子计算机兼容的系统，来探索短期的应用。为了使量子处理器能够运行超出经典模拟范围的算法，它不仅需要大量的量子比特。关键的是，处理器在读取和逻辑操作上也必须具有低错误率，例如单量子比特和双量子比特门。”Kelly 在博客中写道。

在真正的应用开始前，为了能对量子处理器的量化能力有更好的评估。谷歌的理论团队还开发出了一种基准测试工具。他们通过在设备上应用随机的量子电路来对系统的任务进行随机分配，并通过一个经典的模拟方法来检查抽样输出的分布情况。对于一个操作误差足够小的量子处理器，它可以在一个明确的计算机科学相关问题上具有超越经典超级计算机的表现，也就是谷歌所说的 “量子霸权”。

错误率和量子比特位数之间的关系。红色显示了谷歌量子AI实验室的预期研究方向，他们希望近期能够开发出基于纠错量子计算机的相关应用。

但这些随机电路在量子比特和计算长度以及深度上都必须很大。谷歌研究人员计算后认为，量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特、一个超过40的电路深度、一个低于0.5%的2比特误差进行完美的证明。他们相信，新的量子处理器优于超级计算机的实验证明，将会是这个领域的分水岭，同时也是未来的主要目标之一。

谷歌还在博客中指出，他们曾希望能在9个量子比特的装置上就能达到上述性能，但现在却能扩展到了72个量子比特。他们认为这个处理器将成为建设较大规模量子计算原理的有力证明。

研究科学家Marissa Giustina在圣芭芭拉谷歌量子AI实验室安装Bristlecone芯片。

“要操作如此低错误率的装置，需要完整的软件、控制电子以及处理器本身等多种技术进行配合，因此我们需要在接下来的几轮迭代中对系统进行仔细的观察。我们相信，利用Bristlecone可以实现量子霸权，而且在这种水平上学习如何构建和操作设备会是一个令人兴奋的挑战。”谷歌在博客中称。

量子计算领域里的竞争

相比传统计算机，量子计算机的优势在于：传统计算机使用的运算规则是二进制，用0和1记录信息状态。但量子计算机由量子状态来描述信息，根据量子的特性它可以同时表示多种状态，并同时进行叠加运算，因而拥有更快速的运算方式。传统计算机只能按照时间顺序一个一个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。

但要真正的运行量子计算，仍需要解决一个重要问题。因为在处理量子状态时，它们在一种名为相干性（Coherence time，相干时间，就是信道保持恒定的最大时间差范围）的过程中往往存在一段很短的时间。这意味着，量子比特回到0和1经典的计算状态之前，研究员只有一个短暂的时间窗口。在上个世纪90年代末期，研究人员只有短短几纳秒（1秒= 1000000微秒，1微秒 = 1000纳秒）的时间可以关注相干性。

为了解决这个问题，多家科技公司在量子计算机领域里投入了大量地精力和经费。

此前，谷歌宣称已制造出9量子比特的机器，并计划在2017年末增加至49量子比特，实现“量子霸权”。但随后谷歌在量子计算领域里研究一直保持神秘，直到这次72量子比特处理器的公布。一直以来，谷歌是“量子霸权”的重要拥护者之一。在计算机领域的研究人员将拥有50量子比特称为“量子霸权”。它可以实施目前常规的超级计算机所不能完成的任务。

但从目前的发展形势看，情况发生了改变。50量子比特实现“量子霸权”的说法也受到了竞争对手IBM和英特尔的挑战。

IBM负责量子战略和生态的副总裁罗伯特·苏托尔曾对媒体表示，“量子霸权”这一说法并不合适，他认为人们不应执着于量子计算机何时能够达到操纵50个或更多量子位，而应关心怎样利用量子计算机的优势更好地解决实际问题，从中提炼出商业价值，并促进更多科学进展。去年11月份，IBM成功开发出了一台50量子比特的原型机，可为今后IBM Q系统奠定基础。

英特尔也向谷歌发起了挑战。在2018年1月份的CES展上，向合作伙伴交付首个49量子比特量子计算测试芯片。从英特尔的技术路径看，研究人员可以在未来3-5年内实现1000量子比特的系统，这听起来已足够惊人，但许多专家表示，从商业角度看，量子计算机至少需要一百万个量子比特才能运行。

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