首個72量子比特晶元已面世 中國超級計算機世界第一地位不保？

美國時間3月5日，谷歌研究博客（Google Research Blog）丟出一個深水炸彈——Bristlecone，這是一個世界上首款72量子比特的量子晶元。

可能有不少朋友對於72量子比特不太了解，其實量子計算機的計算能力是通過量子比特數量來確定的，那麼量子比特數量是什麼？

在經典計算機里，存儲的信息單位是比特（bit），比特使用二進位，也就是說一個比特表示的不是「0」就是「1」。

但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機的信息單位是量子比特（qubit），量子比特可以表示「0」，也可以表示「1」，甚至還可以是「1」和「0」的疊加狀態（superposition），即同時等於「0」和「1」，而這種狀態在被觀察時，會坍塌成為「0」或是「1」，也就變成了確定的值，其實也就和經典量子理論「薛定諤的貓」是一個道理（把一隻貓放到一個不透明的特殊盒子中，在打開盒子前，這隻貓既可能是死的，也可能是活的，打開後，兩種可能性才坍塌到其中一種）。除此之外，兩個量子比特還可以共享量子態，無論這兩個量子比特離得多遠，也就是所謂的「量子糾纏」（entanglement）。

量子比特的神奇之處

理論上，2個量子比特的量子計算機每一步可以做到2的2次方，也就是4次運算，所以說，50量子比特的運算速度（2的50次方=1125億億次）將秒殺最強超級計算機（目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次）。

說得再具體一點，拿《火影忍者》舉例的話，那就是佐助是經典計算機，鳴人是量子計算機，要找一個東西，佐助只能自己一個一個地方跑去找，也許要找一年。

但是鳴人可以分出5個影分身，然後5個影分身再分出5個影分身，分身的分身再分身，所有分身都同時去不同的地方，瞬間找到東西，然後分身收回，只剩一個鳴人，取回東西，完成。所以說量子計算能力驚人。

谷歌此次公布的Bristlecone的量子晶元使用了一種新的架構，允許單個陣列上的72個量子比特具有重疊設計，將兩個不同的網格放在一起。

左邊是谷歌最新的72量子比特量子處理器Bristlecone|，右邊是圖示：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

谷歌利用稱為量子糾錯（Quantum Error Correction）的專門流程對Bristlecone進行了優化，以儘可能降低錯誤率。正是谷歌這樣的設計，讓Bristlecone量子晶元在達到72量子比特的同時也實現了1%的錯誤率。

一時間，科技圈炸開了鍋，因為這意味著，在實現量子計算這條賽道上，目前谷歌可能成為了領跑的那一個！

畢竟就在上周，在舊金山舉行的IBM Inaugural Index開發者大會上，IBM才對外展示了其50個量子比特原型機和內部結構圖。

這個72量子比特的量子晶元到底意味著什麼？這並不表示，谷歌已經造出了72量子比特的量子計算機，只是離這個目標更近了一步，這條路還很長，所以科技圈也不要太嗨。從72量子比特晶元到72量子比特的量子計算機中間還存在很多需要攻克的障礙，比如，目前超級計算機所能模擬的最大量子比特數為46量子比特，而72量子比特所需要的RAM（Random-Access Memory，隨機存取存儲）是46量子比特的數百萬倍。

谷歌可能憑Bristlecone實現量子霸權

在2017年11月的《自然》雜誌採訪中，谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）提出，當一台量子計算機具有大約50量子比特的時候，其計算能力和速度將超過世界上任何計算機，能解決經典計算機所解決不了的問題。

正因量子計算機有很多經典計算機所無法比擬的優點，目前谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭都已紛紛入局，搶奪高地。而這其中，「50量子比特」成為一個重要門檻。

因此，業內也將達到50量子比特的計算機稱為達到了「量子霸權/量子優越性（Quantum Supremacy）」，即50量子比特的量子計算機優於現在的任何一台經典計算機。

不過，要實現量子霸權，僅僅達到高數量的量子比特是不夠的。量子比特的低錯誤率至關重要，不然就會影響計算結果。只有足夠多的量子比特和足夠低的錯誤率才能實現一個真正實用的量子計算機。

錯誤率和量子比特位數之間的關係

根據谷歌的說法，實用量子計算機的最低錯誤率必須在1％以內，並且接近100個量子比特。從這次公布的Bristlecone量子晶元來看，谷歌似乎已經達到了這個目標，Bristlecone量子晶元達到72位量子比特，錯誤率為1％，單量子比特門錯誤率為0.1％，雙量子比特門錯誤率為0.6％。

谷歌在公布Bristlecone的那篇谷歌科技博客中表示：

如果一個量子處理器可以在足夠低的誤差下運行，它就能夠在一個明確的計算機科學問題上超越經典的超級計算機，這個成就被稱為量子霸權。這些隨機電路在量子比特數和計算長度（深度）方面都必須很大。

儘管還沒有人達到這個目標，但我們預計，量子霸權可以用49個量子比特、電路深度超過40以及雙量子比特錯誤率低於0.5％來達到。我們相信，量子處理器超越超級計算機的實驗性演示將是這個領域的分水嶺，並且仍然是我們的關鍵目標之一。

谷歌之前放過話，說在2017年內會做出一個49量子比特的量子晶元來實現「量子霸權」（Quantum Supremacy）。量子霸權，也叫做量子優勢意味著量子計算機可以比世界上最快的超級計算機更快地執行一些定義明確的科學問題。

在谷歌宣布要在2017年內造出49量子比特的量子晶元後不久，IBM提出，對於某些特定的量子應用，可能需要56或更多的量子位以證明量子霸權。而Google似乎打算消除所有疑慮，所以現在它推出72量子比特的量子晶元並且把目標從實現49量子比特的量子計算機直接升級到實現72量子比特的量子計算機。

科學家Marissa Giustina在位於Santa Barbara的Quantum AI實驗室中安裝Bristlecone晶元

谷歌的量子霸權之路

谷歌宣布研製出低錯誤率、72量子比特的量子晶元Bristlecone，並且正在往實現72量子比特的量子計算機的方向上推進，雖然72量子比特非常令人興奮，但是從量子晶元到量子計算機，谷歌要做的工作還有很多。

2017年12月，來自德國Jülich超級計算中心（Jülich Supercomputing Centre），中國武漢大學和荷蘭格羅寧根大學（the University of Groningen）的研究人員宣布，他們打破了在經典超級計算機上可以模擬量子比特數量的世界紀錄。

該團隊能夠在超級計算機上模擬46個量子位，打破了之前45個量子位的記錄。儘管45和46量子比特之間的差別可能看起來很小，但是，每增加一個量子比特，其對於各方面的要求都是指數性增加的。通常情況下，如果其他條件相同，每個額外量子比特的內存需求會翻倍。

目前，最強大的超級計算機只能模擬46個量子比特，並且對於需要模擬的每個新量子比特而言，其存儲需求通常會增加一倍。

因此，要模擬一個72量子比特的量子計算機，我們需要數百萬倍的RAM（Random-Access Memory，隨機存取存儲），也就是2的（72-46）次方倍數。外媒Tom』 Hardware認為我們很可能無法在超級計算機中達到這樣體量的RAM。

如果谷歌正在研究的72量子比特的量子計算機能夠比我們最強大的超級計算機更快地運行任何演算法，那麼量子霸權時代將會到來。對此，谷歌也表示：「我們樂觀但同時也是謹慎地認為，利用Bristlecone可以實現量子霸權」。

量子計算的發展前景

2017年，谷歌量子團隊在Nature刊文稱，他們堅信即使還缺乏能夠完整糾錯的理論，但5年之內仍會有與量子計算有關的小型設備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報。「早期的量子計算設備將在量子模擬，量子輔助優化和量子採樣領域有商業運用。更快的計算速度對從人工智慧到金融和醫療等領域具有明顯的商業優勢」。

而量子計算之所以如此重要，除了因為它「快」，還因為它可以重新定義程序和演算法，顛覆眾多領域，例如：

軍事方面，一切現有的密碼學全都要被重新改寫，因為用量子計算機能輕易破譯所有密碼；醫學方面，量子計算機可以模擬人體內的各種化學分子，建立起醫學模擬的新模型；此外還有氣象學、材料科學等種種領域都面臨著量子計算的顛覆。

不過，目前我們離真正的量子計算機還有距離，現在，量子計算機還只是非常初步的階段，量子比特的脆弱、不穩定性還有低精度的問題還沒有解決，要實現實用量子計算機還有很長的路要走。

本文綜合於智東西、網路

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