谷歌公布72量子比特量子處理器，「量子霸權」真的要來了？
在提出「量子霸權」一年多時間後，谷歌終於迎來了自己在量子計算領域裡新的突破。
當地時間3月5日，谷歌量子人工智慧實驗室（Quantum AI Lab ）研究科學家Julian Kelly 在谷歌的官方博客上公布了自己的最新研究成果：一款擁有72量子比特，名為Bristlecone（編註：中文譯為「狐尾松」）的量子處理器。基於這款量子處理器，谷歌稱將為研究員提供測試平台,來研究量子技術的可擴展性，以及在量子模擬、應用優化和機器學習等方面的能力。
谷歌在洛杉磯舉行的美國物理學會年會上展示了這款新的處理器。「我們剛開始測試，」谷歌物理學家John Martinis說：「從目前我們所知道的情況來看，我們非常樂觀。」Martinis說，如果一切運作良好，量子霸權（quantum supremacy）可能會在幾個月內實現。
谷歌首發72個量子比特處理器
在博客中， Kelly詳細介紹了新款量子處理器。該裝置設計的指導原則是谷歌早先推出的9量子比特線性陣列技術。當時，谷歌已經證明了該方法可以做到低讀出錯誤率（1%），單量子比特門錯誤率為0.1%，以及最重要的雙量子比特門錯誤率為0.6%。
左邊是谷歌最新的72量子比特量子處理器Bristlecone。右邊是該設備的圖示：每個「X」代表一個量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連。圖片均來自谷歌量子人工智慧實驗室。
新量子處理器採用了相同的耦合、控制和讀出方案，但被運用到了72個量子比特的正方形陣列上。之所以選擇這個大小，谷歌稱是為了能在未來展示「量子霸權」，能夠使用面編碼研究一階和二階糾錯，並促進量子演算法在實際硬體上的發展。
「谷歌量子人工智慧實驗室的目標是建立一個量子計算機，可以用來解決現實世界的問題。我們的策略是利用與大規模通用糾錯量子計算機兼容的系統，來探索短期的應用。為了使量子處理器能夠運行超出經典模擬範圍的演算法，它不僅需要大量的量子比特。關鍵的是，處理器在讀取和邏輯操作上也必須具有低錯誤率，例如單量子比特和雙量子比特門。」Kelly 在博客中寫道。
在真正的應用開始前，為了能對量子處理器的量化能力有更好的評估。谷歌的理論團隊還開發出了一種基準測試工具。他們通過在設備上應用隨機的量子電路來對系統的任務進行隨機分配，並通過一個經典的模擬方法來檢查抽樣輸出的分布情況。對於一個操作誤差足夠小的量子處理器，它可以在一個明確的計算機科學相關問題上具有超越經典超級計算機的表現，也就是谷歌所說的 「量子霸權」。
錯誤率和量子比特位數之間的關係。紅色顯示了谷歌量子AI實驗室的預期研究方向，他們希望近期能夠開發出基於糾錯量子計算機的相關應用。
但這些隨機電路在量子比特和計算長度以及深度上都必須很大。谷歌研究人員計算後認為，量子霸權的目標可以通過使用49個量子比特、一個超過40的電路深度、一個低於0.5%的2比特誤差進行完美的證明。他們相信，新的量子處理器優於超級計算機的實驗證明，將會是這個領域的分水嶺，同時也是未來的主要目標之一。
谷歌還在博客中指出，他們曾希望能在9個量子比特的裝置上就能達到上述性能，但現在卻能擴展到了72個量子比特。他們認為這個處理器將成為建設較大規模量子計算原理的有力證明。
研究科學家Marissa Giustina在聖芭芭拉谷歌量子AI實驗室安裝Bristlecone晶元。
「要操作如此低錯誤率的裝置，需要完整的軟體、控制電子以及處理器本身等多種技術進行配合，因此我們需要在接下來的幾輪迭代中對系統進行仔細的觀察。我們相信，利用Bristlecone可以實現量子霸權，而且在這種水平上學習如何構建和操作設備會是一個令人興奮的挑戰。」谷歌在博客中稱。
量子計算領域裡的競爭
相比傳統計算機，量子計算機的優勢在於：傳統計算機使用的運算規則是二進位，用0和1記錄信息狀態。但量子計算機由量子狀態來描述信息，根據量子的特性它可以同時表示多種狀態，並同時進行疊加運算，因而擁有更快速的運算方式。傳統計算機只能按照時間順序一個一個地解決問題，而量子計算機卻可以同時解決多個問題。
但要真正的運行量子計算，仍需要解決一個重要問題。因為在處理量子狀態時，它們在一種名為相干性（Coherence time，相干時間，就是信道保持恆定的最大時間差範圍）的過程中往往存在一段很短的時間。這意味著，量子比特回到0和1經典的計算狀態之前，研究員只有一個短暫的時間窗口。在上個世紀90年代末期，研究人員只有短短几納秒（1秒= 1000000微秒，1微秒 = 1000納秒）的時間可以關注相干性。
為了解決這個問題，多家科技公司在量子計算機領域裡投入了大量地精力和經費。
此前，谷歌宣稱已製造出9量子比特的機器，並計劃在2017年末增加至49量子比特，實現「量子霸權」。但隨後谷歌在量子計算領域裡研究一直保持神秘，直到這次72量子比特處理器的公布。一直以來，谷歌是「量子霸權」的重要擁護者之一。在計算機領域的研究人員將擁有50量子比特稱為「量子霸權」。它可以實施目前常規的超級計算機所不能完成的任務。
但從目前的發展形勢看，情況發生了改變。50量子比特實現「量子霸權」的說法也受到了競爭對手IBM和英特爾的挑戰。
IBM負責量子戰略和生態的副總裁羅伯特·蘇托爾曾對媒體表示，「量子霸權」這一說法並不合適，他認為人們不應執著於量子計算機何時能夠達到操縱50個或更多量子位，而應關心怎樣利用量子計算機的優勢更好地解決實際問題，從中提煉出商業價值，並促進更多科學進展。去年11月份，IBM成功開發出了一台50量子比特的原型機，可為今後IBM Q系統奠定基礎。
英特爾也向谷歌發起了挑戰。在2018年1月份的CES展上，向合作夥伴交付首個49量子比特量子計算測試晶元。從英特爾的技術路徑看，研究人員可以在未來3-5年內實現1000量子比特的系統，這聽起來已足夠驚人，但許多專家表示，從商業角度看，量子計算機至少需要一百萬個量子比特才能運行。
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