谷歌计划今年实现“量子霸权”，使用7×7量子位阵列

陈桦 编译整理 量子位 出品 | 公众号 QbitAI

长期以来，量子计算机被认为可以带来最强大传统计算机所无法提供的计算能力。现在，来自加州Goleta谷歌实验室的研究人员正准备使用数十个量子位来证明这一点。谷歌想要今年就实现“量子霸权”。

这支团队计划，在今年年底之前，将集成电路中的超导量子位数量提升至7x7阵列。凭借这种量子集成电路，谷歌研究员希望展示，最强大的超级计算机能带来什么样的性能，从而证明“量子霸权”。

加州大学圣芭芭拉分校教授John Martinis表示：“多年来，我们一直在讨论，借助量子机制，量子处理器有多么强大。而我们想要明确地展示这一点。”他于2014年加入了谷歌。

49个超导量子位距离物理学家设想中用于实际计算的规模还有很远，而这也是长期以来驱动量子计算研究的动力。这样的研究成果之一是Shor算法，该算法帮助计算机快速处理极大的数字，从而打破现代密码学的基础。

在《自然》杂志近期的一篇论文中，Martinis及其同事估计，如果希望在一天内处理2000位数字，那么需要用到包括1亿个量子位的系统。而2000位数字在公钥长度中并不罕见。大部分这些量子位将被用于创建特殊量子态，从而完成计算及错误修正，从数千个不稳定的量子位中创造出上千个稳定的“逻辑量子位”。

在49个量子位的系统中，谷歌并没有开发额外的基础设施。这意味着，如果希望证明量子霸权，那么必须采取不同的计算方式。为了证明这种芯片好于传统计算机，谷歌的团队将在阵列上执行操作，使其产生混乱，进而得出伪随机的输出结果。经典计算机可以模拟小型系统的这种输出。

例如今年4月，美国劳伦斯伯克利国家实验室报告称，计算能力达到每秒29千万亿次的超级计算机Cori能模拟45个量子位的输出。不过49个量子位的系统可能将会超出传统超级计算机的能力。

这样的计算能力尚没有明确的实际应用。不过Martinis表示，除了证明量子霸权之外，这样的系统还有其他意义。其中用到的量子位可以被用于制造更大的“通用”量子系统，完成类似解密的功能。因此，这款芯片可以提供有用的验证数据。

研究团队猜测，对于只有少量修正或无修正的系统，其中还存在尚未被发掘的计算潜力。Martinis表示：“如果这是真的，那么就很棒。这样我们就可以立即得出有用的产品，而不必等待很长时间。”该团队认为，一个潜在应用领域是模拟化学反应和材料。

谷歌近期利用9x1的量子位阵列进行了推演，并且利用2x3阵列尝试了某些制造技术。提高量子位的数量将会分阶段进行。

Martinis表示：“这是个富有挑战的系统工程问题。我们必须扩大规模，但仍要确保量子位正常工作。我们不能损失任何仿真度，或是造成错误率上升。我会说，错误率和规模通常需要做好平衡。”不过他也表示，该团队认为，即使没有错误修正，系统的规模也可以拓展至超过50个量子位。

谷歌并不是关注在无错误修正情况下建设规模更大量子系统的唯一一家公司。今年3月，IBM宣布了一项计划，在未来几年内开发这样的超导量子位系统，其中将包含约50个量子位，并通过云平台提供给外界。

IBM负责这方面工作的副总裁Bob Sutor表示：“50是个神奇的数字。”在达到这一水平之后，量子计算机可以在某些任务中超过传统计算机。

德克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学教授Scott Aaronson表示，自D-Wave Systems开始提供商用量子计算机以来，超导量子位的质量已经有了很大的提升。总部位于加拿大Burnaby的D-Wave表示，该公司的系统提供了比传统计算机更快的速度。不过Aaronson认为，这一说法缺少有说服力的证据。谷歌则希望明确展示“量子霸权”，而不是纠缠于无意义的争论。

Aaronson指出，目前尚不清楚，50个量子位或规模更小的芯片能否执行有用的任务，此外也不能确定，在没有错误修正的情况下，系统能否变得更强大。不过他认为，量子霸权的证明将是个重要里程碑，而这是制造大规模通用量子计算机过程中一个自然的衍生物。