谷歌發佈72位量子處理器“狐尾松” 稱將實現“量子霸權”

近日，在美國洛杉磯舉行的美國物理學會年會上，谷歌公司發佈72量子比特的量子處理器“狐尾松”(Bristlecone)，稱這一設備未來可實現“量子霸權”（quantum supremacy）。

量子計算機的基本單位是量子比特，與傳統比特取值0或1不同，量子比特可以是0,1或兩者的疊加，這要歸功於量子的疊加性。通常來説，能使用的量子比特越多，計算能力就越強。業界認為，如果量子計算機能以足夠低的誤差有效操縱50個左右量子比特，計算能力就能超越傳統計算機，即實現量子霸權。

所謂“量子霸權”，即它可以在一個明確的計算機科學相關的問題上具有超越經典的超級計算機的表現。從計算複雜度理論的角度來看，這意味着超過目前最佳經典算法的超多項式加速。

谷歌72量子比特的“狐尾松”量子芯片 （圖片來源：谷歌量子 AI 實驗室）

“狐尾松”這一名字的由來是源於芯片中的量子比特排列成類似松果鱗片的圖案。據美國《科學》雜誌報道，“狐尾松”是谷歌此前9量子比特處理器的擴展版本，採用了相同方案進行耦合、控制和讀出，但被擴展為72個量子比特的陣列。

3月5日在美國物理學會的會議上來自谷歌的超導量子計算機研究報告摘要  （圖片來源：美國物理學會）

此前，經谷歌研究人員計算後認為，量子霸權的目標可以通過使用49個量子比特，一個超過40的電路深度，一個低於0.5%的2個比特誤差進行完美的證明。為何這次這次“狐尾松”一下子跳到了“72”量子比特？

據《麻省理工科技評論》分析，谷歌選取72位量子位這一數值不僅能展現未來的量子霸權，還能利用面編碼技術進行一階和二階糾錯研究，用作研究量子比特可擴展性和錯誤率的試驗裝置，開發量子模擬、優化和機器學習等應用程序。

那麼，這個72量子比特處理器實現“量子霸權”的可能有多大？

谷歌聯合美國航天局等機構成立的“量子人工智能實驗室”5日表示，谷歌對“狐尾松”實現量子霸權持“謹慎樂觀”態度。

“狐尾松”要實現這一里程碑，面臨的最大挑戰是將系統錯誤率降到9量子比特處理器水平，即1％的讀數錯誤率、0.1％的單量子比特門錯誤率和0.6％的雙量子比特門錯誤率。降低錯誤率需要調試整套系統，包括軟件、電子控制元件和處理器本身。業界認為，這一過程可能需要數月時間。

誤差率和量子比特數關係圖  (圖片來源：《麻省理工科技評論》)

上面的 2D 概念圖顯示了誤差率和量子比特數之間的關係。谷歌量子人工智能實驗室的預期研究方向為圖中紅色曲線，谷歌希望在不斷糾錯中，讓量子計算機實現相關應用。

谷歌表示，當我們可以實現幾十乃至幾百萬量子比特0.1-1%的錯誤率時，量子計算機將開始真正高效解決實際問題。這可能需要十年或者更久的時間。

但是，在製造出大規模量子比特量子計算機之前，我們可能會先實現一些小型的、甚至是商用的量子計算機，或者説量子計算商業應用。

科學家瑪麗莎·朱斯蒂納在聖芭芭拉谷歌量子AI實驗室安裝“狐尾松”芯片（圖源：谷歌量子AI實驗室）

2017年，谷歌量子團隊在《自然》雜誌刊文稱，他們堅信即使還缺乏能夠完整糾錯的理論，但5年之內仍會有與量子計算有關的小型設備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報。

“早期的量子計算設備將在量子模擬，量子輔助優化和量子採樣領域有商業運用。更快的計算速度對從人工智能到金融和醫療等領域具有明顯的商業優勢。”

目前，全球範圍內對量子霸權的競逐已進入白熱化階段。美國國際商用機器公司（IBM）去年11月推出了全球首款50量子比特的量子計算機原型機，並於上週公開展示了這一原型機和內部結構圖。英特爾、微軟等科技巨頭都在這個領域大量投入。中國研究人員也正在光與冷原子系統、超導系統等多種量子計算技術路線上同時發展。