谷歌的最新72位量子比特量子计算机

谷歌最近宣布推出一款72个量子比特的最新量子计算机Bristlecone，实现了1%的低错误率，与9个量子比特的量子计算机持平。谷歌认为使用Bristlecone可以实现量子霸权（quantum supremacy）。

研究科学家Marissa Giustina在圣芭芭拉谷歌量子AI实验室安装Bristlecone芯片。来源：Google Quantum AI Lab

谷歌量子AI实验室研究科学家Julian Kelly在Google Research官博发文，介绍了经过同行评议的，谷歌的最新72位量子比特量子计算机。

“我们刚开始测试，”Google的物理学家John Martinis说：“从目前我们所知道的情况来看，我们非常乐观。”Martinis说，如果一切运作良好，量子霸权可能会在几个月内实现。

Kelly介绍说，谷歌量子AI实验室（Google Quantum AI Lab）的目标是构建可用于解决现实世界问题的量子计算机。谷歌的策略是使用与通用纠错量子计算机兼容的系统来探索近期的应用。为了使量子处理器能够在经典模拟的范围之外运行算法，它不仅需要大规模的量子比特，处理器在读出（readout）和逻辑运算上的低错误率保证也十分重要，比如单比特门和两比特门。

在洛杉矶举行的美国物理学会年会上，谷歌展示了一个新的量子处理器Bristlecone。这个基于门的超导系统目的在于研究量子比特技术的系统误差率和可扩展性，以及在量子模拟、优化和机器学习中的应用。

Julian Kelly介绍，这个最新设备遵循谷歌之前提出的9个量子比特量子计算机的线性阵列技术所对应的物理学原理，而该技术显示的最佳结果如下：低的读数错误率（1%）、单量子比特门（0.1%）以及最重要的双量子比特门（0.6%）。该设备使用与9个量子比特的相同的模式进行耦合、控制和读出，但将其扩展为一个包含72个量子比特的正方形数组。

实验中，研究人员选择了这种尺寸的设备来展示未来的量子霸权，使用面编码研究一阶和二阶纠错，并促进量子算法在实际硬件上的发展。

左边是谷歌最新的72量子比特量子处理器Bristlecone。右边是该设备的图示：每个“X”代表一个量子比特，量子比特之间以线性阵列方式相连。来源：GoogleQuantum AI Lab

在研究特定的应用程序之前，对量子处理器的量化能力很重要。谷歌的理论团队已经开发出了一种基准测试工具来完成这项任务，通过在设备上应用随机的量子电路来对系统的任务进行随机分配，并通过一个经典的模拟方法来检查抽样输出的分布情况。对于一个操作误差足够小的量子处理器，它可以在一个明确的计算机科学相关的问题上具有超越经典的超级计算机的表现，也即 “量子霸权”。这些随机电路在量子比特和计算长度以及深度上都必须很大。

虽然目前还没有人可以实现这个目标，但是谷歌研究人员计算后认为，量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特，一个超过40的电路深度，一个低于0.5%的2个比特误差进行完美的证明。他们相信，这个量子处理器优于超级计算机的实验证明将会是这个领域的分水岭，同时也是未来的主要目标之一。

错误率和量子比特位数之间的关系。红色显示了谷歌量子AI实验室的预期研究方向，他们希望近期能够开发出基于纠错量子计算机的相关应用。来源：GoogleQuantum AI Lab

谷歌原本希望在9个量子比特的设备上实现类似的性能，但现在已经做到了72个量子比特。他们指出，未来在建造更大规模的量子计算机时，Bristlecone将会是一个令人信服的原理证明。谷歌也表示，在低的系统错误下运行像Bristlecone这样的设备需要软件、控制电子以及处理器本身等多种技术进行配合，因此接下来还需要在几轮的迭代中对系统工程进行仔细的观察。

谷歌量子AI实验室指出，使用Bristlecone可以实现量子霸权，而且在这种水平上学习如何构建和操作设备会是一个令人兴奋的挑战。他们期待分享结果，而这也可以帮助更多的研究人员进行这方面的实验。