轟動全球的谷歌量子計算機_風聞

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「gizmodo」，作者：Ryan F. Mandelbaum，謝謝。

在加利福尼亞戈萊塔的山巒和海岸之間，坐落着一間不起眼的辦公室，旁邊就是高速公路。它可能屬於任何一家南加州公司;工人們坐在熒光燈下的灰色隔間裏，有一個架子用來放員工的自行車和衝浪板。但在這些桌子上，物理學家和計算機科學家正在開發一種前所未有的計算機。在一組雙層門後，圓柱形機器將計算機芯片保持在比空間真空低的温度下。

在這裏，谷歌的科學家們一直在努力創造一種計算機處理器，它可以解決一個對於世界上現有最好的超級計算機來説太難的問題。今天，他們宣佈他們成功了:他們的Sycamore量子計算機能夠在200秒內完成一個問題，根據他們的估計，一個超級計算機需要1萬年才能解決。這是一個單一的、人為的問題，芯片將在與超級計算機的競賽中失敗。但是谷歌的科學家認為他們已經達到了一個歷史性的計算里程碑。

“我們經常聽到的一種批評是，我們編造了這個人為的基準問題——(Sycamore)還沒有做任何有用的事情，”谷歌的工程總監Hartmut Neven在今天的新聞發佈會上告訴記者。這就是為什麼我們喜歡把它比作人造衞星時刻。人造衞星也沒做什麼。它所做的就是環繞地球。但這是太空時代的開始。”

今天，谷歌讓記者們第一次看到了這個設備，以及它是如何完成實驗的。

傳統計算機使用晶體管來表示0和1的數據，而量子計算機使用被稱為量子位的人造原子來表示數據。這些量子位不只是簡單地使用邏輯規則，還通過量子力學的怪異數學相互作用。它們呈現0或1，併產生一長串二進制代碼，就像傳統計算機一樣，但在計算過程中，它們可以呈現0和1之間的狀態，這決定了在最終測量中獲得0或1的可能性。

每個量子位都是由一個很小的、加號形狀的超導線圈構成的。電流在這些系統中不僅沒有阻力，而且整個裝置幾乎就像一個電子一樣。每個加號都以格狀觸摸其他四個加號。

這種芯片(在未經訓練的觀察者看來，它很像普通的處理芯片)位於一個結構的底部，形狀像一個倒置的婚禮蛋糕，放在真空室中。隨着層數的增加，環境温度逐漸降低，直到達到15-milliKelvin的工作温度。一堆導線向量子位發送微小的微波脈衝，使量子位呈現激發態，而激發態是由另一個附加在加號上的微小元件測量的。

谷歌的科學家在2016年首次設計了量子霸權實驗。前提是:用這些量子門建立一個隨機電路。重新測量同一個電路數千到數百萬次，通過一種稱為量子干涉的效應，某些由0和1組成的字符串將比其他字符串更有可能出現。讓一台超級計算機模擬量子計算機，並告訴它嘗試創建一個類似的這些字符串的概率分佈。隨着每一個額外的量子位(以及每一個額外的操作)，超級計算機要跟上就變得困難得多。谷歌的科學家們認為，運行Sycamore的54個量子位元中的53個(其中一個沒有工作)，他們已經徹底擊敗了超級計算機。要確認這個答案是正確的，只需稍微降低電路的複雜性，以超級計算機可以檢查的方式運行電路，然後進行推斷。

在德克薩斯大學物理學家斯科特·阿倫森的幫助下，他們甚至設計出了這個量子至上實驗的用途。它輸出隨機比特，而隨機性在密碼學和彩票等領域非常重要。但如果它不是隨機的——如果有人能秘密地猜出所謂的隨機數字呢?通過這個實驗，谷歌可以為您驗證普通計算機不可能設計出這些隨機數。

儘管有了技術成就，計算機還是容易出錯。與外部世界的任何交互都會導致量子位元吐出錯誤的值。但實驗證明，當他們加入更多的量子位元時，錯誤的數目會以可預測的方式增加。當他們可以預見並解決這些問題時，其佈局（尤其是加號的格子）旨在與將來兼容。

谷歌的科學家Marissa Giustina説:“我們已經證明了我們對這些錯誤有所瞭解。”“這是一項關鍵的工程和物理突破。(供參考，Giustina是房間裏唯一的女科學家)。

我還得給電腦編程序。與IBM的Q體驗類似，您可以使用常規的計算機接口將脈衝生成、量子位值更改操作拖放到每個量子位上，就像譜表上的音符一樣。示波器顯示了我發送給量子位的脈衝的形狀。我觀察了每個最終的量子位提供的0或1隨附加操作而變化的可能性。

許多科學家已經提出了批評，認為經典計算機實際上可以在更短的時間內運行霸權主義實驗，或者還沒有找到合適的經典算法。對於IBM聲稱一台經典的超級計算機運行霸權主義實驗需要2.5天，而不是1萬年，Neven做出了回應:

他説:“自從我們發表了《量子霸權的建議》之後，經典方面的改進就源源不斷，已經成為經典超級計算機的基準。”他解釋説，美國國家航空航天局(NASA)、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab)和其他地方的研究人員正在致力於改進經典的計算算法，以便谷歌設備擁有最先進的超級計算機來與之競爭。

在科學領域，谷歌已經展示了一個龐大的、複雜的量子系統，比以前展示的要複雜得多。在計算領域，我們已經進入了一個未知的領域:量子計算機現在也許可以做一些經典計算機做不到的事情。

Giustina説:“我們已經達到了一個新的計算空間，沒有其他工具可以達到。”