這是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑：谷歌在“量子優(yōu)勢(shì)”領(lǐng)域的突破性研究已經(jīng)登上了《自然》雜志150周年紀(jì)念版的封面。谷歌首席執(zhí)行官皮查伊（Sundar Pichai）在接受麻省理工學(xué)院（MIT）采訪時(shí)表示，這項(xiàng)研究成果對(duì)谷歌具有“里程碑式”的意義，并將其與萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)時(shí)的首個(gè)12秒成功試飛進(jìn)行了比較。

與此同時(shí)，就連特朗普的大女兒伊萬卡也忍不住在第一時(shí)間發(fā)出了賀電：

美國(guó)取得了量子霸權(quán)！

這可能是量子計(jì)算正在走向?qū)嵱没囊粋€(gè)跡象：谷歌使用了54位量子計(jì)算機(jī)來完成傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。在世界上第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算需要計(jì)算10000年的實(shí)驗(yàn)中，量子計(jì)算機(jī)只需3分20秒。

今年9月，美國(guó)宇航局網(wǎng)站上發(fā)表了一篇題為“使用可編程超導(dǎo)處理器的量子至尊”的論文，研究人員在該論文中提出了這一想法。盡管該報(bào)很快被刪除，但這一消息引起了廣泛關(guān)注。

“量子霸權(quán)”的實(shí)現(xiàn)是令人興奮的（谷歌官方建議這樣翻譯，而不是量子霸權(quán)），但它也對(duì)研究的真實(shí)性提出了質(zhì)疑。幸運(yùn)的是，同行評(píng)議沒有讓我們等太久。在《自然》雜志150周年特刊的封面上，我們看到了這篇論文。

這篇論文的發(fā)表也意味著谷歌的研究得到了業(yè)界的認(rèn)可?！彪S著我們擴(kuò)大計(jì)算的可能性，我們也解鎖了新的計(jì)算量子計(jì)算容易出錯(cuò)，但我們的實(shí)驗(yàn)表明，量子計(jì)算機(jī)還可以減少計(jì)算中的錯(cuò)誤，并擴(kuò)展到經(jīng)典計(jì)算機(jī)之外?！?/p>

皮查伊說：“對(duì)于科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究人員來說，這是一個(gè)期待已久的‘你好世界’——到目前為止，這是量子計(jì)算實(shí)際應(yīng)用中最重要的里程碑?！蔽覀兛梢园阉茸魅祟惤ㄔ斓牡谝幻痘鸺?，它是為了擺脫重力的束縛，接觸太空的邊緣。”

這一成就來自科學(xué)家們的不懈努力。谷歌從事量子計(jì)算已經(jīng)13年了。2006年，谷歌科學(xué)家Hartmut neven開始探索在量子計(jì)算中加速機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。這項(xiàng)工作導(dǎo)致了谷歌人工智能量子團(tuán)隊(duì)的成立。2014年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）的約翰·馬丁尼斯（John martinis）和他的團(tuán)隊(duì)加入了谷歌（Google）建設(shè)量子計(jì)算機(jī)的行列。兩年后，Sergio boixo等人發(fā)表了他們的論文，Google開始專注于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的任務(wù)。

現(xiàn)在，這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了世界上第一個(gè)超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)能力的量子系統(tǒng)，它可以執(zhí)行特定的任務(wù)。

谷歌首席執(zhí)行官桑德爾皮查伊和谷歌在圣巴巴拉實(shí)驗(yàn)室的量子計(jì)算機(jī)。

谷歌昨天還在博客中介紹了這項(xiàng)重要研究：

近30年來，物理學(xué)家一直在討論量子計(jì)算的威力，但有人一直在問：量子計(jì)算有用嗎？值得投資嗎？對(duì)于這樣一個(gè)大型的工程，其決定性的短期目標(biāo)是良好的工程實(shí)踐，它可以明確設(shè)計(jì)方向是否正確。所以谷歌設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)作為回答這些問題的重要里程碑。這項(xiàng)被稱為“量子優(yōu)勢(shì)”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)谷歌團(tuán)隊(duì)克服量子系統(tǒng)的許多固有技術(shù)問題，使量子計(jì)算機(jī)具有可編程性和強(qiáng)大的功能。為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的性能，谷歌研究人員選擇了一個(gè)敏感的計(jì)算基準(zhǔn)。即使計(jì)算機(jī)的單個(gè)組件不夠好，整個(gè)系統(tǒng)也不能在這個(gè)基準(zhǔn)上成功。

最近，谷歌在《自然》雜志上公布了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們開發(fā)了一臺(tái)54位的計(jì)算機(jī)sycamore，它包含了快速、高保真的量子邏輯門來執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試。梧桐花在200秒內(nèi)完成目標(biāo)計(jì)算。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，谷歌得出結(jié)論，這臺(tái)世界上速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一萬年才能產(chǎn)生類似的結(jié)果。

左：懸空在低溫恒溫器中的梧桐量子計(jì)算機(jī)的藝術(shù)品；右：梧桐的照片。

實(shí)驗(yàn)

為了理解這個(gè)基準(zhǔn)是如何工作的，想象一下一些量子計(jì)算新手愛好者訪問谷歌的實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室的新量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子算法。他們可以編寫基于基本門操作字典的算法。因?yàn)槊總€(gè)門都有一個(gè)錯(cuò)誤率，所以這些新手希望將自己限制在一個(gè)中等的序列中，總共有大約1000個(gè)門。假設(shè)這些程序員沒有經(jīng)驗(yàn)，他們將創(chuàng)建一個(gè)看似隨機(jī)的門序列，您可以將其視為量子計(jì)算機(jī)的“Hello world”程序。因?yàn)樵陔S機(jī)電路中沒有經(jīng)典算法可以使用的結(jié)構(gòu)，所以通常需要大量的經(jīng)典計(jì)算能力來模擬這些量子電路。

每當(dāng)一個(gè)隨機(jī)量子電路在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位串，如0000101。由于量子干涉的存在，當(dāng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一些位串比其它位串更容易出現(xiàn)。然而，隨著量子比特?cái)?shù)（寬度）和門周期數(shù)（深度）的增加，經(jīng)典計(jì)算機(jī)上尋找隨機(jī)量子電路最可能的比特串的難度將成倍增加。

展示Google quantum優(yōu)勢(shì)的流程圖。

在實(shí)驗(yàn)中，Google首先運(yùn)行了一個(gè)12到53個(gè)量子比特的隨機(jī)簡(jiǎn)化電路，以保持電路深度恒定。然后，他們使用經(jīng)典模擬來測(cè)試量子計(jì)算機(jī)的性能，并將其與理論模型進(jìn)行比較。在確認(rèn)系統(tǒng)可以正常工作后，Google運(yùn)行了一個(gè)隨機(jī)硬件電路，電路深度增加了53個(gè)qubit，直到達(dá)到經(jīng)典模擬不可行的程度。

根據(jù)薛定諤-費(fèi)曼算法的量子比特?cái)?shù)和周期，計(jì)算了量子優(yōu)勢(shì)電路的驗(yàn)證時(shí)間。紅星表示實(shí)驗(yàn)電路的估計(jì)驗(yàn)證時(shí)間。

這個(gè)結(jié)果是對(duì)擴(kuò)展的church-Turing理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。本文指出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以有效地實(shí)現(xiàn)任何“合理”的計(jì)算模型。

谷歌說：“隨著第一臺(tái)量子計(jì)算無法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行合理模擬，我們開辟了一個(gè)新的計(jì)算領(lǐng)域?！?br>

谷歌梧桐量子處理器

量子優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)54位的全可編程處理器上進(jìn)行，這個(gè)處理器叫做sycamore。處理器由一個(gè)二維網(wǎng)格組成，其中每個(gè)qubit連接到其他四個(gè)qubit。因此，芯片具有足夠的連接性，量子比特態(tài)可以在整個(gè)處理器中快速交互，使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法有效地模擬完整態(tài)。

谷歌梧桐量子處理器。

量子優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的成功歸功于Google改進(jìn)的并行性增強(qiáng)的雙量子比特門，即使同時(shí)操作多個(gè)量子比特門也能可靠地實(shí)現(xiàn)記錄性能。谷歌使用了一個(gè)新的控制旋鈕來關(guān)閉相鄰量子位之間的交互。這大大減少了系統(tǒng)中的誤差。此外，谷歌還通過優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)以減少串?dāng)_和開發(fā)新的控制校準(zhǔn)以避免量子比特缺陷，進(jìn)一步提高了性能。

谷歌設(shè)計(jì)了一個(gè)二維正方形網(wǎng)格的電路，每個(gè)qubit連接到另外四個(gè)qubit。該體系結(jié)構(gòu)還可以向前兼容，從而實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)。54位梧桐處理器是一系列功能更強(qiáng)大的量子處理器的先驅(qū)。

熱點(diǎn)圖顯示了所有量子比特操作中單比特和雙比特的Pauli誤差值。置換表示處理器上量子位的分布。
測(cè)試量子物理

為了確保量子計(jì)算機(jī)在未來有用，谷歌還需要驗(yàn)證量子力學(xué)沒有根本的障礙。用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)理論極限是物理學(xué)的一個(gè)悠久歷史，因?yàn)槿藗冊(cè)谔剿骶哂蟹浅２煌锢韰?shù)的新狀態(tài)時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象。

谷歌此前的實(shí)驗(yàn)顯示，量子力學(xué)有望將狀態(tài)空間擴(kuò)大1000倍。在這項(xiàng)研究中，谷歌將測(cè)試規(guī)模擴(kuò)大到10萬億美元，并發(fā)現(xiàn)一切仍按預(yù)期運(yùn)行。Google還通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)量子比特門的誤差來驗(yàn)證基本量子理論，發(fā)現(xiàn)它能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整個(gè)量子優(yōu)勢(shì)電路的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

這說明谷歌量子計(jì)算機(jī)并沒有出現(xiàn)意外的物理現(xiàn)象，這會(huì)降低谷歌量子計(jì)算機(jī)的性能。因此，谷歌表示，其實(shí)驗(yàn)證實(shí)，理論更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)也可行，并有信心繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模。

應(yīng)用

梧桐是一個(gè)完全可編程的量子計(jì)算機(jī)，可以運(yùn)行一般的量子算法。自去年春天量子優(yōu)勢(shì)的成就以來，谷歌的團(tuán)隊(duì)一直致力于短期應(yīng)用，包括量子物理模擬和量子化學(xué)，以及在生成性機(jī)器學(xué)習(xí)的其他領(lǐng)域的新應(yīng)用。

下一步計(jì)劃

該團(tuán)隊(duì)的下兩個(gè)主要目標(biāo)是為量子計(jì)算找到有價(jià)值的應(yīng)用。首先，在未來，谷歌將為其合作伙伴、學(xué)術(shù)研究人員和有興趣開發(fā)算法和搜索當(dāng)前nisq處理器應(yīng)用程序的公司提供自己優(yōu)越的處理器。創(chuàng)造性的研究人員是最重要的創(chuàng)新資源，所以現(xiàn)在谷歌有了新的計(jì)算資源，谷歌希望更多的研究人員能夠進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，并嘗試做出一些有用的發(fā)明。

其次，谷歌投資其團(tuán)隊(duì)和技術(shù)，以盡快創(chuàng)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。這樣的設(shè)備有許多有價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，我們可以想象量子計(jì)算機(jī)有助于設(shè)計(jì)新材料——汽車和飛機(jī)用的輕質(zhì)電池、能夠更有效地生產(chǎn)肥料的新催化劑（目前生產(chǎn)的肥料占世界碳排放量的2%以上）和更有效的藥物。但需要指出的是，要達(dá)到必要的計(jì)算能力，還需要多年的艱苦工程和科研工作。但前進(jìn)的道路是明確的，谷歌渴望在量子領(lǐng)域取得更多進(jìn)展。

建立量子計(jì)算機(jī)是人類認(rèn)識(shí)世界的重要方向。雖然宇宙基本上是建立在量子系統(tǒng)上的，但人們對(duì)量子理論的了解卻很長(zhǎng)一段時(shí)間不多。事實(shí)上，量子力學(xué)的許多原理與自然表面現(xiàn)象的觀測(cè)相矛盾。當(dāng)然，量子力學(xué)的性質(zhì)也有很大的計(jì)算潛力。

“雖然我們對(duì)光明的未來感到興奮，但我們也為迄今為止的旅程感到謙卑，”桑德爾皮查伊說我們需要記住理查德·費(fèi)曼的名言：“如果你認(rèn)為你知道量子力學(xué)，你就不知道量子力學(xué)?！? "