前言

近日，谷歌宣布推出一款72個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)Bristlecone，實(shí)現(xiàn)了1%的低錯(cuò)誤率，與9個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)持平。谷歌認(rèn)為使用Bristlecone可以實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。上周IBM才曝光了其50個(gè)量子比特量子原型機(jī)內(nèi)部構(gòu)造。谷歌在量子比特位數(shù)和錯(cuò)誤率上的亮眼表現(xiàn)，霎時(shí)將2018年的量子霸權(quán)競(jìng)賽賽點(diǎn)提前，接下來(lái)就看微軟傳言中的里程碑表現(xiàn)。

谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家Julian Kelly在Google Research官博發(fā)文，介紹了經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的，谷歌的最新72位量子比特通用計(jì)算機(jī)。

“我們剛開(kāi)始測(cè)試，”Google的物理學(xué)家John Martinis說(shuō)：“從目前我們所知道的情況來(lái)看，我們非常樂(lè)觀。”Martinis說(shuō)，如果一切運(yùn)作良好，量子霸權(quán)可能會(huì)在幾個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

Kelly介紹說(shuō)，谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室（Google Quantum AI Lab）的目標(biāo)是構(gòu)建可用于解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)。谷歌的策略是使用與通用糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)兼容的系統(tǒng)來(lái)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(yùn)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(yùn)算上的低錯(cuò)誤率保證也十分重要，比如單比特門(mén)和兩比特門(mén)。

在洛杉磯舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，谷歌展示了一個(gè)新的量子處理器Bristlecone。這個(gè)基于門(mén)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(kuò)展性，以及在量子模擬、優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。

創(chuàng)紀(jì)錄72量子比特量子計(jì)算機(jī)，錯(cuò)誤率1%，可實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

Julian Kelly介紹，這個(gè)最新設(shè)備遵循是谷歌之前提出的9個(gè)量子比特量子計(jì)算機(jī)的線性陣列技術(shù)所對(duì)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(cuò)誤率（1%）、單量子比特門(mén)（0.1%）以及最重要的雙量子比特門(mén)（0.6%）。該設(shè)備使用與9個(gè)量子比特的相同的模式進(jìn)行耦合、控制和讀出，但將其擴(kuò)展為一個(gè)包含72個(gè)量子比特的正方形數(shù)組。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員選擇了這種尺寸的設(shè)備來(lái)展示未來(lái)的量子霸權(quán)，使用面編碼研究一階和二階糾錯(cuò)，并促進(jìn)量子算法在實(shí)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(gè)“X”代表一個(gè)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(duì)量子處理器的量化能力很重要。谷歌的理論團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種基準(zhǔn)測(cè)試工具來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，通過(guò)在設(shè)備上應(yīng)用隨機(jī)的量子電路來(lái)對(duì)系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行隨機(jī)分配，并通過(guò)一個(gè)經(jīng)典的模擬方法來(lái)檢查抽樣輸出的分布情況。對(duì)于一個(gè)操作誤差足夠小的量子處理器，它可以在一個(gè)明確的計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的問(wèn)題上具有超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)，也即 “量子霸權(quán)”。這些隨機(jī)電路在量子比特和計(jì)算長(zhǎng)度以及深度上都必須很大。

雖然目前還沒(méi)有人可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但是谷歌研究人員計(jì)算后認(rèn)為，量子霸權(quán)的目標(biāo)可以通過(guò)使用49個(gè)量子比特，一個(gè)超過(guò)40的電路深度，一個(gè)低于0.5%的2個(gè)比特誤差進(jìn)行完美的證明。他們相信，這個(gè)量子處理器優(yōu)于超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)證明將會(huì)是這個(gè)領(lǐng)域的分水嶺，同時(shí)也是未來(lái)的主要目標(biāo)之一。

錯(cuò)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(shí)驗(yàn)室的預(yù)期研究方向，他們希望近期能夠開(kāi)發(fā)出基于糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的相關(guān)應(yīng)用。來(lái)源：Google Quantum AI Lab

谷歌原本希望在9個(gè)量子比特的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的性能，但現(xiàn)在已經(jīng)做到了72個(gè)量子比特。他們指出，未來(lái)在建造更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)時(shí)，Bristlecone將會(huì)是一個(gè)令人信服的原理證明。谷歌也表示，在低的系統(tǒng)錯(cuò)誤下運(yùn)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(jìn)行配合，因此接下來(lái)還需要在幾輪的迭代中對(duì)系統(tǒng)工程進(jìn)行仔細(xì)的觀察。

谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室指出，使用Bristlecone可以實(shí)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(huì)是一個(gè)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(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)。

谷歌：從49到72，我們不止比IBM優(yōu)秀一點(diǎn)點(diǎn)

正如前文所說(shuō)，谷歌曾表示要建立一個(gè)49量子比特的量子計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，并稱(chēng)這是他們計(jì)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(lái)，大家都認(rèn)為50個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的“起步價(jià)”。就在谷歌拋出49個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的說(shuō)法后不久，IBM就稱(chēng)，他們的研究表明，對(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)，并成功建成并測(cè)試全球首臺(tái)50個(gè)量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)。

上周，在舊金山舉行的IBM Inaugural Index開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，IBM對(duì)外展示了其50個(gè)量子比特原型機(jī)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也同時(shí)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(gè)原因，超出這么多，應(yīng)該能打消各種疑慮。

但是，要實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，就不得不說(shuō)剛才提到的量子模擬。目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，只能模擬46個(gè)量子比特。在傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)上模擬通用量子計(jì)算機(jī)，是一個(gè)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(guó)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，在中國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)神威·太湖之光上實(shí)現(xiàn)了一系列通用量子計(jì)算機(jī)的模擬，實(shí)現(xiàn)45量子比特模擬。然后，在2017年12月，團(tuán)隊(duì)再次取得突破，實(shí)現(xiàn)了46量子比特模擬，創(chuàng)下了目前的世界紀(jì)錄。

可擴(kuò)展性是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)所面臨的難題之一。從45到46，看上去只是增加了一個(gè)比特，但在計(jì)算機(jī)模擬中，每增加一個(gè)量子比特，就需要將計(jì)算機(jī)的內(nèi)存增加一倍。例如，模擬一個(gè)擁有45個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，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(gè)72量子比特的計(jì)算機(jī)，就需要數(shù)百萬(wàn)倍的RAM（2^26（72-46）字節(jié)）。我們很可能無(wú)法在超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用那么多的內(nèi)存。所以，如果Bristlecone能夠比當(dāng)前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)更快地運(yùn)行通用算法，那么量子霸權(quán)時(shí)代才將會(huì)到來(lái)。

搶占2018量子霸權(quán)競(jìng)賽賽點(diǎn)，小型商用量子計(jì)算機(jī)5年內(nèi)出現(xiàn)

除了量子比特，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)還需要低的錯(cuò)誤率。一臺(tái)很快但錯(cuò)誤率很高的量子計(jì)算機(jī)，還不如經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

根據(jù)谷歌的說(shuō)法，量子計(jì)算機(jī)的最低錯(cuò)誤率必須在1%以?xún)?nèi)，并且有接近100個(gè)量子比特的規(guī)模。目前看，在錯(cuò)誤率上，谷歌在72位量子計(jì)算機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，單量子比特門(mén)為0.1%，雙量子比特門(mén)為0.6%。

當(dāng)我們可以實(shí)現(xiàn)幾十乃至幾百萬(wàn)量子比特0.1-1%的錯(cuò)誤率時(shí)，量子計(jì)算機(jī)將開(kāi)始真正高效解決實(shí)際問(wèn)題。這可能需要十年或者更久的時(shí)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(jì)算機(jī)之前，我們可能會(huì)先實(shí)現(xiàn)一些小型的、甚至是商用的量子計(jì)算機(jī)，或者說(shuō)量子計(jì)算商業(yè)應(yīng)用。

2017年，谷歌量子團(tuán)隊(duì)在Nature刊文稱(chēng)，他們堅(jiān)信即使還缺乏能夠完整糾錯(cuò)的理論，但5年之內(nèi)仍會(huì)有與量子計(jì)算有關(guān)的小型設(shè)備問(wèn)世，而這也將給投資者帶來(lái)短期的回報(bào)。“早期的量子計(jì)算設(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(yùn)用。更快的計(jì)算速度對(duì)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(shì)。”

谷歌期望他們72個(gè)量子比特的Bristlecone量子計(jì)算機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，還能用作研究量子比特可擴(kuò)展性和錯(cuò)誤率的試驗(yàn)裝置，開(kāi)發(fā)量子模擬、優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用程序。

2018年1月底，英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》放出消息，在接下來(lái)幾周內(nèi)，谷歌和微軟將分別宣布量子技術(shù)的兩項(xiàng)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(jì)算機(jī)，接下來(lái)，就看微軟了。