美国取得了量子霸权！

这是量子计算领域的一个里程碑：谷歌在“量子优势”领域的突破性研究已经登上了《自然》杂志150周年纪念版的封面。谷歌首席执行官皮查伊（Sundar Pichai）在接受麻省理工学院（MIT）采访时表示，这项研究成果对谷歌具有“里程碑式”的意义，并将其与莱特兄弟发明飞机时的首个12秒成功试飞进行了比较。

与此同时，就连特朗普的大女儿伊万卡也忍不住在第一时间发出了贺电：

美国取得了量子霸权！

这可能是量子计算正在走向实用化的一个迹象：谷歌使用了54位量子计算机来完成传统架构计算机无法完成的任务。在世界上第一台超级计算需要计算10000年的实验中，量子计算机只需3分20秒。

今年9月，美国宇航局网站上发表了一篇题为“使用可编程超导处理器的量子至尊”的论文，研究人员在该论文中提出了这一想法。尽管该报很快被删除，但这一消息引起了广泛关注。

“量子霸权”的实现是令人兴奋的（谷歌官方建议这样翻译，而不是量子霸权），但它也对研究的真实性提出了质疑。幸运的是，同行评议没有让我们等太久。在《自然》杂志150周年特刊的封面上，我们看到了这篇论文。

这篇论文的发表也意味着谷歌的研究得到了业界的认可。”随着我们扩大计算的可能性，我们也解锁了新的计算量子计算容易出错，但我们的实验表明，量子计算机还可以减少计算中的错误，并扩展到经典计算机之外。”

皮查伊说：“对于科学技术领域的研究人员来说，这是一个期待已久的‘你好世界’——到目前为止，这是量子计算实际应用中最重要的里程碑。”我们可以把它比作人类建造的第一枚火箭，它是为了摆脱重力的束缚，接触太空的边缘。”

这一成就来自科学家们的不懈努力。谷歌从事量子计算已经13年了。2006年，谷歌科学家Hartmut neven开始探索在量子计算中加速机器学习的方法。这项工作导致了谷歌人工智能量子团队的成立。2014年，加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的约翰·马丁尼斯（John martinis）和他的团队加入了谷歌（Google）建设量子计算机的行列。两年后，Sergio boixo等人发表了他们的论文，Google开始专注于实现量子计算优势的任务。

现在，这个团队已经建立了世界上第一个超越传统超级计算机能力的量子系统，它可以执行特定的任务。

谷歌首席执行官桑德尔皮查伊和谷歌在圣巴巴拉实验室的量子计算机。

谷歌昨天还在博客中介绍了这项重要研究：

近30年来，物理学家一直在讨论量子计算的威力，但有人一直在问：量子计算有用吗？值得投资吗？对于这样一个大型的工程，其决定性的短期目标是良好的工程实践，它可以明确设计方向是否正确。所以谷歌设计了一个实验作为回答这些问题的重要里程碑。这项被称为“量子优势”实验的实验，引导谷歌团队克服量子系统的许多固有技术问题，使量子计算机具有可编程性和强大的功能。为了测试整个系统的性能，谷歌研究人员选择了一个敏感的计算基准。即使计算机的单个组件不够好，整个系统也不能在这个基准上成功。

最近，谷歌在《自然》杂志上公布了实验结果。他们开发了一台54位的计算机sycamore，它包含了快速、高保真的量子逻辑门来执行基准测试。梧桐花在200秒内完成目标计算。根据测量结果，谷歌得出结论，这台世界上速度最快的超级计算机需要一万年才能产生类似的结果。

左：悬空在低温恒温器中的梧桐量子计算机的艺术品；右：梧桐的照片。

实验

为了理解这个基准是如何工作的，想象一下一些量子计算新手爱好者访问谷歌的实验室，在实验室的新量子计算机上运行量子算法。他们可以编写基于基本门操作字典的算法。因为每个门都有一个错误率，所以这些新手希望将自己限制在一个中等的序列中，总共有大约1000个门。假设这些程序员没有经验，他们将创建一个看似随机的门序列，您可以将其视为量子计算机的“Hello world”程序。因为在随机电路中没有经典算法可以使用的结构，所以通常需要大量的经典计算能力来模拟这些量子电路。

每当一个随机量子电路在量子计算机上运行时，它就会产生一个位串，如0000101。由于量子干涉的存在，当多次重复实验时，一些位串比其它位串更容易出现。然而，随着量子比特数（宽度）和门周期数（深度）的增加，经典计算机上寻找随机量子电路最可能的比特串的难度将成倍增加。

展示Google quantum优势的流程图。

在实验中，Google首先运行了一个12到53个量子比特的随机简化电路，以保持电路深度恒定。然后，他们使用经典模拟来测试量子计算机的性能，并将其与理论模型进行比较。在确认系统可以正常工作后，Google运行了一个随机硬件电路，电路深度增加了53个qubit，直到达到经典模拟不可行的程度。

根据薛定谔-费曼算法的量子比特数和周期，计算了量子优势电路的验证时间。红星表示实验电路的估计验证时间。

这个结果是对扩展的church-Turing理论的第一个实验挑战。本文指出，经典计算机可以有效地实现任何“合理”的计算模型。

谷歌说：“随着第一台量子计算无法在经典计算机上进行合理模拟，我们开辟了一个新的计算领域。”

谷歌梧桐量子处理器

量子优势实验在一个54位的全可编程处理器上进行，这个处理器叫做sycamore。处理器由一个二维网格组成，其中每个qubit连接到其他四个qubit。因此，芯片具有足够的连接性，量子比特态可以在整个处理器中快速交互，使得经典计算机无法有效地模拟完整态。

谷歌梧桐量子处理器。

量子优势实验的成功归功于Google改进的并行性增强的双量子比特门，即使同时操作多个量子比特门也能可靠地实现记录性能。谷歌使用了一个新的控制旋钮来关闭相邻量子位之间的交互。这大大减少了系统中的误差。此外，谷歌还通过优化芯片设计以减少串扰和开发新的控制校准以避免量子比特缺陷，进一步提高了性能。

谷歌设计了一个二维正方形网格的电路，每个qubit连接到另外四个qubit。该体系结构还可以向前兼容，从而实现量子纠错。54位梧桐处理器是一系列功能更强大的量子处理器的先驱。

热点图显示了所有量子比特操作中单比特和双比特的Pauli误差值。置换表示处理器上量子位的分布。

测试量子物理

为了确保量子计算机在未来有用，谷歌还需要验证量子力学没有根本的障碍。用实验来检验理论极限是物理学的一个悠久历史，因为人们在探索具有非常不同物理参数的新状态时，往往会发现新的现象。

谷歌此前的实验显示，量子力学有望将状态空间扩大1000倍。在这项研究中，谷歌将测试规模扩大到10万亿美元，并发现一切仍按预期运行。Google还通过测量两个量子比特门的误差来验证基本量子理论，发现它能够准确预测整个量子优势电路的基准测试结果。

这说明谷歌量子计算机并没有出现意外的物理现象，这会降低谷歌量子计算机的性能。因此，谷歌表示，其实验证实，理论更复杂的量子计算机也可行，并有信心继续扩大规模。

应用

梧桐是一个完全可编程的量子计算机，可以运行一般的量子算法。自去年春天量子优势的成就以来，谷歌的团队一直致力于短期应用，包括量子物理模拟和量子化学，以及在生成性机器学习的其他领域的新应用。

下一步计划

该团队的下两个主要目标是为量子计算找到有价值的应用。首先，在未来，谷歌将为其合作伙伴、学术研究人员和有兴趣开发算法和搜索当前nisq处理器应用程序的公司提供自己优越的处理器。创造性的研究人员是最重要的创新资源，所以现在谷歌有了新的计算资源，谷歌希望更多的研究人员能够进入这个领域，并尝试做出一些有用的发明。

其次，谷歌投资其团队和技术，以尽快创建容错量子计算机。这样的设备有许多有价值的应用场景。例如，我们可以想象量子计算机有助于设计新材料——汽车和飞机用的轻质电池、能够更有效地生产肥料的新催化剂（目前生产的肥料占世界碳排放量的2%以上）和更有效的药物。但需要指出的是，要达到必要的计算能力，还需要多年的艰苦工程和科研工作。但前进的道路是明确的，谷歌渴望在量子领域取得更多进展。

建立量子计算机是人类认识世界的重要方向。虽然宇宙基本上是建立在量子系统上的，但人们对量子理论的了解却很长一段时间不多。事实上，量子力学的许多原理与自然表面现象的观测相矛盾。当然，量子力学的性质也有很大的计算潜力。

“虽然我们对光明的未来感到兴奋，但我们也为迄今为止的旅程感到谦卑，”桑德尔皮查伊说我们需要记住理查德·费曼的名言：“如果你认为你知道量子力学，你就不知道量子力学。”. "