厚积薄发！谷歌将利用72量子比特计算机实现“量子霸权”

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早前，在量子计算领域，谷歌一直是“无冕之王”。9量子比特的机器就是由谷歌首次完成。此外，谷歌还首次提出要在2017年年底实现“量子霸权”——研制49量子比特计算机。然而，由于谷歌的这一计划未能如期实现，反倒是IBM弯道超车，率先发布了50量子比特的量子计算处理器，谷歌在量子计算领域的领先地位遭到了前所未有的质疑。

对此，谷歌的研发团队仍然十分坦然，他们表示，在量子计算的竞赛中，领先水平通常是以机器能够处理的量子比特的数量来衡量的，对这些机器的错误率的关注较少。而谷歌的“狐尾松(Bristlecone)”量子计算项目重点关心的是量子比特的质量。

昨日，在洛杉矶召开的美国物理学会会议上，谷歌团队终于公布消息，他们正在测试一台拥有72个量子比特的“狐尾松”量子计算处理器。之所以起这个名字，是因为处理器中的量子比特是以松果的鳞片形式排列的，目前这台设备正处于运行阶段。“我们才刚开始测试。”谷歌的物理学家John Martinis说,“如果一切顺利，我们将在几个月内展示量子霸权。”

加州大学圣塔巴巴拉分校量子人工智能实验室的研究科学家玛丽萨·朱斯蒂娜(Marissa Giustina)正在安装芯片。

谷歌量子人工智能实验室的研究科学家朱利安·凯利(Julian Kelly)在博客上发布了一篇文章专门介绍他们的“狐尾松”量子计算处理器。以下是该文章的主要内容：

这种基于门的超导系统的主要目标是为量子比特技术的系统错误率和可扩展性研究提供一个测试平台，以及为量子模拟、优化和机器学习中提供应用。由于谷歌团队之前研发的9量子比特装置具备低错误读出率(1%)、单量子比特门(0.1%)和双量子比特门(0.6%)等优秀性能，“狐尾松”装置继续沿用了9量子比特设备的线性阵列技术。该设备也使用了相同的耦合、控制和读出方案，但规模却扩大到了72个量子比特的正方形阵列。朱利安解释说，之所以选择将该设备扩大到这一尺寸，是为了便于以后更好地展示“量子霸权”，利用面码(surface code)研究一、二阶误差校正，以及在实际硬件上发展量子算法。

在研究特定的应用程序之前，量化量子处理器的能力是很重要的。谷歌的理论团队已经开发出一个精确的工具来完成这项任务。他们可以通过将随机量子线路应用到设备上，并根据经典模拟检查采样输出分布来分配单个系统误差。如果操作量子处理器产生的误差足够低，并且它解决计算机科学问题的速度能够成功超越经典的超级计算机，那么这一成就被称为“量子霸权”。这些随机线路不管是在量子比特数量，还是在计算长度(深度)方面都必须非常大。虽然目前尚未有人实现这一目标，但是谷歌团队计算出这种“量子霸权”可以用49个量子比特来实现。要实现量子霸权，这种线路深度需要超过40，且双比特错误率要低于0.5%。量子处理器超越超级计算机的实验证明将是量子计算领域的分水岭，目前这仍然是谷歌团队的主要目标之一。

朱利安表示，他们相信“狐尾松”量子处理器将成为建设较大规模的量子计算机原理的一个有力证明。为实现低错误率，在操作一台装置(如狐尾松)时，需要对软件、控制电子一直到处理器本身这一整套技术之间进行协调。要实现这一目标需要经过多次迭代的、细致的系统工程。

谷歌表示，理想的量子计算机需要至少数亿个量子比特，错误率要低于0.01%。这可能需要数十年的时间来实现，在这之前，我们可能就会看到一些“有用”的量子计算机应用。例如，当量子计算机只有几千个量子比特时，就有可能打破现有的大多数加密技术了。如果继续保持目前的量子计算机研发步调，我们可能在10年内达到这一目标。

目前，对于利用“狐尾松”实现“量子霸权”，谷歌团队一直保持着“谨慎乐观”的态度，能够研发一台具备如此优越性能的设备真是一个令人兴奋的挑战！谷歌团队表示，他们已经迫不及待地想要知道测试结果，并且期待未来与合作者一同在新量子处理器上进行实验。

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