今年3月，谷歌重磅宣布推出一款 72 個量子比特的最新量子計算器 Bristlecone，實現(xiàn)了 1% 的低錯誤率，與 9 個量子比特的量子計算機持平。參與這一工作的谷歌工程師表示非常樂觀，認(rèn)為如果一切運作良好，量子霸權(quán)可以在幾個月內(nèi)實現(xiàn)。

谷歌的目標(biāo)是構(gòu)建可用于解決現(xiàn)實世界問題的量子計算機，其策略是使用與通用糾錯量子計算機兼容的系統(tǒng)來探索近期的應(yīng)用。今天，谷歌博客發(fā)表文章，介紹了近期在 Science 和 NaturePhysics 上發(fā)表的兩個量子計算的研究，詳細(xì)闡述谷歌的“量子霸權(quán)”藍(lán)圖。

實際演示量子霸權(quán)的理論基礎(chǔ)：量子計算機的“hello world”程序

量子計算融合了過去半個世紀(jì)的兩次最大的技術(shù)革命——信息技術(shù)和量子力學(xué)。如果我們使用量子力學(xué)的規(guī)則，而不是二進制邏輯來計算，一些棘手的計算任務(wù)就能變得可行。在追求通用量子計算機的過程中，一個重要目標(biāo)是確定對于今天的經(jīng)典計算機來說過于困難的最小計算任務(wù)。這個交叉點被稱為“量子霸權(quán)”（quantum supremacy，又稱“量子優(yōu)勢”）的邊界，是通向更強大、更有用的計算機的關(guān)鍵一步。

最近，谷歌在 Nature Physics 上發(fā)表論文“Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices”，提出了在短期設(shè)備中實際演示量子霸權(quán)的理論基礎(chǔ)。這篇論文提出了從隨機量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務(wù)，這可以被認(rèn)為是量子計算機的“hello world”程序。

爭論的結(jié)果是，隨機混沌系統(tǒng)（聯(lián)想蝴蝶效應(yīng)）的輸出會隨著運行時間越長，越難以預(yù)測。如果制造出一個隨機的、混沌的量子比特系統(tǒng)，并檢驗一個經(jīng)典系統(tǒng)需要花費多長時間來模擬它，那么就可以很好地衡量一臺量子計算機何時可以超越經(jīng)典計算機?？梢哉f，這是證明經(jīng)典計算機和量子計算機的計算能力之間呈指數(shù)分離的最強有力的理論建議。

為了確定量子霸權(quán)的邊界在哪里，對隨機量子電路進行采樣已經(jīng)迅速成為一個令人興奮的研究領(lǐng)域。一方面，改進模擬量子電路的經(jīng)典算法旨在增加建立量子優(yōu)勢所需的量子電路的尺寸。這迫使具有足夠多的量子位和足夠低的錯誤率的實驗量子設(shè)備實現(xiàn)足夠深的電路（即電路中的柵極層數(shù)足夠多），以實現(xiàn)優(yōu)勢（supremacy）。

另一方面，我們現(xiàn)在更好地理解了用于構(gòu)建隨機量子電路的量子門（quantum gates）的具體選擇會如何影響模擬的成本，從而導(dǎo)致近期量子霸權(quán)的基準(zhǔn)（benchmarks）得到改善，在某些情況下比原來的方案模擬的成本更昂貴。

benchmark可在這里下載：https://github.com/sboixo/GRCS

從隨機量子電路進行采樣是量子計算機的一個很好的校準(zhǔn)基準(zhǔn)，我們稱之為交叉熵基準(zhǔn)。一個成功的隨機電路量子霸權(quán)實驗將證明大規(guī)模容錯量子計算機的基本構(gòu)建塊。此外，量子物理學(xué)還沒有對如此高度復(fù)雜的量子態(tài)進行過測試。

圖：量子電路計算的時空體積。量子模擬的計算成本隨著量子電路的體積而增加，并且通常隨著量子位數(shù)和電路深度而呈指數(shù)增長。對于量子比特的不對稱網(wǎng)格，計算時空體積隨深度的增長會比對稱網(wǎng)格慢，并且可能導(dǎo)致電路更容易模擬。

用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖

在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖》（“A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits”）中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍(lán)圖，并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

在論文中，我們討論了量子霸權(quán)的兩個關(guān)鍵要素：指數(shù)復(fù)雜性和精確計算。我們首先在運行設(shè)備的一部分運行算法，范圍從5到9個量子位。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典模擬成本隨著量子比特數(shù)量增加而呈指數(shù)增長。這些結(jié)果旨在為這些設(shè)備的指數(shù)能力提供明確的例證。

設(shè)備：9比特陣列。這是設(shè)備的光學(xué)顯微照片?；疑珔^(qū)域是鋁，黑色區(qū)域是鋁被蝕刻去定義特征的地方。其他顏色用以區(qū)分讀出電路，量子位，耦合器和控制線。

接下來，我們使用交叉熵基準(zhǔn)比較我們的結(jié)果與普通計算機的結(jié)果，并顯示我們的計算結(jié)果是非常準(zhǔn)確的。事實上，錯誤率足夠低，可以用更大的量子處理器實現(xiàn)量子霸權(quán)。

除了實現(xiàn)量子霸權(quán)外，量子平臺應(yīng)該提供明確的應(yīng)用。在我們的論文中，我們將我們的算法應(yīng)用于量子統(tǒng)計力學(xué)中的計算問題，這些問題使用復(fù)雜的多量子比特門（multi-qubit gates），相對于為數(shù)字量子處理器設(shè)計的具有表面代碼糾錯的兩量子比特門（two-qubit gates），它是相反的。我們證明了，們的設(shè)備可以用來研究材料的基本屬性，例如金屬和絕緣體之間的細(xì)微差異。通過將這些結(jié)果擴展到約50個量子比特的下一代設(shè)備，我們希望能夠回答超出任何其他計算平臺能力的科學(xué)問題。

圖：Charles Neill和Pedram Roushan開發(fā)的兩個gmon的超導(dǎo)量子比特及其可調(diào)耦合器

這兩篇論文為近期量子霸權(quán)提出了一個現(xiàn)實的建議，并首次證明了一個原理驗證版本。谷歌表示，將繼續(xù)降低錯誤率并增加量子處理器中的量子比特數(shù)，以達(dá)到量子霸權(quán)的邊界，并為短期實用的應(yīng)用開發(fā)量子算法。