前言

近日，谷歌宣布推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone，實現(xiàn)了1%的低錯誤率，與9個量子比特的量子計算機持平。谷歌認(rèn)為使用Bristlecone可以實現(xiàn)量子霸權(quán)。上周IBM才曝光了其50個量子比特量子原型機內(nèi)部構(gòu)造。谷歌在量子比特位數(shù)和錯誤率上的亮眼表現(xiàn)，霎時將2018年的量子霸權(quán)競賽賽點提前，接下來就看微軟傳言中的里程碑表現(xiàn)。

谷歌量子AI實驗室研究科學(xué)家Julian Kelly在Google Research官博發(fā)文，介紹了經(jīng)過同行評議的，谷歌的最新72位量子比特通用計算機。

“我們剛開始測試，”Google的物理學(xué)家John Martinis說：“從目前我們所知道的情況來看，我們非常樂觀?！盡artinis說，如果一切運作良好，量子霸權(quán)可能會在幾個月內(nèi)實現(xiàn)。

Kelly介紹說，谷歌量子AI實驗室（Google Quantum AI Lab）的目標(biāo)是構(gòu)建可用于解決現(xiàn)實世界問題的量子計算機。谷歌的策略是使用與通用糾錯量子計算機兼容的系統(tǒng)來探索近期的應(yīng)用。為了使量子處理器能夠在經(jīng)典模擬的范圍之外運行算法，它不僅需要大規(guī)模的量子比特，處理器在讀出（readout）和邏輯運算上的低錯誤率保證也十分重要，比如單比特門和兩比特門。

在洛杉磯舉行的美國物理學(xué)會年會上，谷歌展示了一個新的量子處理器Bristlecone。這個基于門的超導(dǎo)系統(tǒng)目的在于研究量子比特技術(shù)的系統(tǒng)誤差率和可擴展性，以及在量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。

創(chuàng)紀(jì)錄72量子比特量子計算機，錯誤率1%，可實現(xiàn)量子霸權(quán)

Julian Kelly介紹，這個最新設(shè)備遵循是谷歌之前提出的9個量子比特量子計算機的線性陣列技術(shù)所對應(yīng)的物理學(xué)原理，而該技術(shù)顯示的最佳結(jié)果如下：低的讀數(shù)錯誤率（1%）、單量子比特門（0.1%）以及最重要的雙量子比特門（0.6%）。該設(shè)備使用與9個量子比特的相同的模式進行耦合、控制和讀出，但將其擴展為一個包含72個量子比特的正方形數(shù)組。

實驗中，研究人員選擇了這種尺寸的設(shè)備來展示未來的量子霸權(quán)，使用面編碼研究一階和二階糾錯，并促進量子算法在實際硬件上的發(fā)展。

左邊是谷歌最新的72量子比特量子處理器Bristlecone。右邊是該設(shè)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。

在研究特定的應(yīng)用程序之前，對量子處理器的量化能力很重要。谷歌的理論團隊已經(jīng)開發(fā)出了一種基準(zhǔn)測試工具來完成這項任務(wù)，通過在設(shè)備上應(yīng)用隨機的量子電路來對系統(tǒng)的任務(wù)進行隨機分配，并通過一個經(jīng)典的模擬方法來檢查抽樣輸出的分布情況。對于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(xué)相關(guān)的問題上具有超越經(jīng)典的超級計算機的表現(xiàn)，也即 “量子霸權(quán)”。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。

雖然目前還沒有人可以實現(xiàn)這個目標(biāo)，但是谷歌研究人員計算后認(rèn)為，量子霸權(quán)的目標(biāo)可以通過使用49個量子比特，一個超過40的電路深度，一個低于0.5%的2個比特誤差進行完美的證明。他們相信，這個量子處理器優(yōu)于超級計算機的實驗證明將會是這個領(lǐng)域的分水嶺，同時也是未來的主要目標(biāo)之一。

錯誤率和量子比特位數(shù)之間的關(guān)系。紅色顯示了谷歌量子AI實驗室的預(yù)期研究方向，他們希望近期能夠開發(fā)出基于糾錯量子計算機的相關(guān)應(yīng)用。來源：Google Quantum AI Lab

谷歌原本希望在9個量子比特的設(shè)備上實現(xiàn)類似的性能，但現(xiàn)在已經(jīng)做到了72個量子比特。他們指出，未來在建造更大規(guī)模的量子計算機時，Bristlecone將會是一個令人信服的原理證明。谷歌也表示，在低的系統(tǒng)錯誤下運行像Bristlecone這樣的設(shè)備需要軟件、控制電子以及處理器本身等多種技術(shù)進行配合，因此接下來還需要在幾輪的迭代中對系統(tǒng)工程進行仔細(xì)的觀察。

谷歌量子AI實驗室指出，使用Bristlecone可以實現(xiàn)量子霸權(quán)，而且在這種水平上學(xué)習(xí)如何構(gòu)建和操作設(shè)備會是一個令人興奮的挑戰(zhàn)。他們期待分享結(jié)果，而這也可以幫助更多的研究人員進行這方面的實驗。

谷歌：從49到72，我們不止比IBM優(yōu)秀一點點

正如前文所說，谷歌曾表示要建立一個49量子比特的量子計算機來實現(xiàn)量子霸權(quán)，并稱這是他們計算后的結(jié)果。為什么這次一下子跳到了“72”量子比特呢？

一直以來，大家都認(rèn)為50個量子比特的量子計算機是實現(xiàn)量子霸權(quán)的“起步價”。就在谷歌拋出49個量子比特的量子計算機實現(xiàn)量子霸權(quán)的說法后不久，IBM就稱，他們的研究表明，對于某些特定的量子應(yīng)用，可能需要56位乃至更多量子比特才能實現(xiàn)量子霸權(quán)。

不僅如此，2017年11月12日，IBM宣布成功研發(fā)出20量子位的量子計算機，并成功建成并測試全球首臺50個量子比特的量子計算原型機。

上周，在舊金山舉行的IBM Inaugural Index開發(fā)者大會上，IBM對外展示了其50個量子比特原型機，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也同時曝光。

這可能是為什么谷歌從2017年的“49”一下子跳躍到“72”的一個原因，超出這么多，應(yīng)該能打消各種疑慮。

但是，要實現(xiàn)量子霸權(quán)，就不得不說剛才提到的量子模擬。目前最強大的超級計算機，只能模擬46個量子比特。在傳統(tǒng)電子計算機上模擬通用量子計算機，是一個非常具有挑戰(zhàn)性的前沿研究工作。2017年11月，由武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院袁聲軍教授、德國于利希超算中心金豐平研究員、Kristel Michielsen 教授和荷蘭格羅寧根大學(xué)Hans De Raedt 教授組成的研究團隊聯(lián)合攻關(guān)，在中國國家超級計算無錫中心的超級計算機神威·太湖之光上實現(xiàn)了一系列通用量子計算機的模擬，實現(xiàn)45量子比特模擬。然后，在2017年12月，團隊再次取得突破，實現(xiàn)了46量子比特模擬，創(chuàng)下了目前的世界紀(jì)錄。

可擴展性是實現(xiàn)通用量子計算機所面臨的難題之一。從45到46，看上去只是增加了一個比特，但在計算機模擬中，每增加一個量子比特，就需要將計算機的內(nèi)存增加一倍。例如，模擬一個擁有45個量子比特的量子計算機，需要至少0.5 PB（約0.5x10^15 字節(jié)）的內(nèi)存。

因此，要模擬一個72量子比特的計算機，就需要數(shù)百萬倍的RAM（2^26（72-46）字節(jié)）。我們很可能無法在超級計算機中使用那么多的內(nèi)存。所以，如果Bristlecone能夠比當(dāng)前最強大的超級計算機更快地運行通用算法，那么量子霸權(quán)時代才將會到來。

搶占2018量子霸權(quán)競賽賽點，小型商用量子計算機5年內(nèi)出現(xiàn)

除了量子比特，實現(xiàn)量子霸權(quán)還需要低的錯誤率。一臺很快但錯誤率很高的量子計算機，還不如經(jīng)典的超級計算機。

根據(jù)谷歌的說法，量子計算機的最低錯誤率必須在1%以內(nèi)，并且有接近100個量子比特的規(guī)模。目前看，在錯誤率上，谷歌在72位量子計算機上已經(jīng)實現(xiàn)了這個目標(biāo)，單量子比特門為0.1%，雙量子比特門為0.6%。

當(dāng)我們可以實現(xiàn)幾十乃至幾百萬量子比特0.1-1%的錯誤率時，量子計算機將開始真正高效解決實際問題。這可能需要十年或者更久的時間。

但是，至少谷歌認(rèn)為，在制造出大規(guī)模量子比特量子計算機之前，我們可能會先實現(xiàn)一些小型的、甚至是商用的量子計算機，或者說量子計算商業(yè)應(yīng)用。

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(nèi)仍會有與量子計算有關(guān)的小型設(shè)備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報?！霸缙诘牧孔佑嬎阍O(shè)備將在量子模擬，量子輔助優(yōu)化和量子采樣領(lǐng)域有商業(yè)運用。更快的計算速度對從人工智能到金融和醫(yī)療等領(lǐng)域具有明顯的商業(yè)優(yōu)勢?！?br />
谷歌期望他們72個量子比特的Bristlecone量子計算機不僅能實現(xiàn)量子霸權(quán)，還能用作研究量子比特可擴展性和錯誤率的試驗裝置，開發(fā)量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)等應(yīng)用程序。

2018年1月底，英國《金融時報》放出消息，在接下來幾周內(nèi)，谷歌和微軟將分別宣布量子技術(shù)的兩項里程碑式的重大突破。

現(xiàn)在谷歌給出了他們的72量子比特量子計算機，接下來，就看微軟了。