在近日的美國(guó)物理學(xué)會(huì)上，Goggle實(shí)驗(yàn)室的公布了最新一代量子處理器Bristlecone，Bristlecone是一款72位量子位處理器，錯(cuò)誤率只有1%，與9個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)持平。這款處理器不僅能夠幫助科學(xué)家們進(jìn)行量子模擬的探索，還能夠在量子機(jī)器學(xué)習(xí)上有所應(yīng)用。此外，谷歌認(rèn)為如果一切運(yùn)作良好，使用Bristlecone可以實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

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。

谷歌原本希望在9個(gè)量子比特的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)類似的性能，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)

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%以內(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，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。