谷歌認(rèn)為，它已找到了一條開發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的出路。

谷歌的研究人員今天在《自然》雜志上發(fā)表了量子計(jì)算方面的最新成果，展示了其新的Sycamore處理器如何在短短200秒內(nèi)運(yùn)行需要全球最龐大的超級計(jì)算機(jī)耗時(shí)10000年才能完成的測試計(jì)算。

關(guān)于該論文的消息上個(gè)月通過美國宇航局（NASA）的官網(wǎng)泄露出去，詳細(xì)說明了谷歌實(shí)現(xiàn)了所謂的“量子霸權(quán)”（quantum supremacy）：當(dāng)量子計(jì)算機(jī)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)耗費(fèi)太長時(shí)間以至于不能被認(rèn)為切合實(shí)際的問題時(shí)，才稱得上實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

IBM本周對谷歌聲稱已實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的說法提出了質(zhì)疑，因?yàn)檫@家廣告巨頭的研究人員未能為經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的“大量磁盤存儲”及其他資產(chǎn)作出說明。IBM的研究人員聲稱，谷歌應(yīng)對的挑戰(zhàn)只需要一臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)耗時(shí)兩天半，而不是10000年。

IBM的研究人員寫道：“由于John Preskill在2012年提出的‘量子霸權(quán)’這個(gè)術(shù)語其初衷是描述量子計(jì)算機(jī)在哪個(gè)點(diǎn)可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的工作，因此尚未達(dá)到這個(gè)閾值。”

IBM最近宣布會在10月中旬推出其53個(gè)量子比特的系統(tǒng)，因此，它很在乎自己不被谷歌的研究超越。

IBM的人員說：“谷歌的實(shí)驗(yàn)充分演示了基于超導(dǎo)的量子計(jì)算方面取得的進(jìn)展，展示了53個(gè)量子比特設(shè)備上最前沿的門保真度，但不應(yīng)該將此視為證明量子計(jì)算機(jī)‘顯著優(yōu)于’經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”

不過，谷歌首席執(zhí)行官Sundar Pichai仍聲稱谷歌的工作是“量子計(jì)算方面的重大突破，即量子霸權(quán)。”

面對外頭的極客，Pichai將其描述為‘這是我們一直在等待的‘hello world’時(shí)刻——迄今為止使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)的道路上取得的最有意義的里程碑。”

量子計(jì)算的魅力在于，由于名為疊加的量子特性，量子比特可以同時(shí)為0和1。

因此，量子計(jì)算機(jī)上的1和0可以隨時(shí)處于四種可能的狀態(tài)，而不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中只有1和0。擁有54個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可能有254個(gè)計(jì)算狀態(tài)；由于它可以呈指數(shù)級擴(kuò)展，因此計(jì)算機(jī)有望在一天內(nèi)解決復(fù)雜得多的挑戰(zhàn)。

谷歌的研究人員在該公司的AI博客上更詳細(xì)地介紹了Sycamore處理器。

標(biāo)題《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》，整篇博文云頭條現(xiàn)編譯如下：

作者：谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)的量子硬件首席科學(xué)家John Martinis和量子計(jì)算理論首席科學(xué)家Sergio Boixo

30多年來，物理學(xué)家們一直在談?wù)摿孔佑?jì)算的功能，但一直存在這個(gè)問題：量子計(jì)算技術(shù)果真會做有用的工作嗎？值得投入嗎？對于如此大規(guī)模的項(xiàng)目，制定決定性的短期目標(biāo)以證明設(shè)計(jì)是否朝著正確的方向發(fā)展是良好的工程做法。因此，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，這是幫助回答這些問題的重要里程碑。該實(shí)驗(yàn)被稱為量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)，為我們的團(tuán)隊(duì)克服量子系統(tǒng)工程中固有的許多技術(shù)挑戰(zhàn)，制造出可編程且功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)提供了方向。為了測試整個(gè)系統(tǒng)的性能，我們選擇了一個(gè)敏感的計(jì)算基準(zhǔn)：如果計(jì)算機(jī)的單單一個(gè)部件不夠好，該基準(zhǔn)將無法通過。

為了執(zhí)行基準(zhǔn)測試，我們開發(fā)了一種名為“Sycamore”的54個(gè)量子比特的新處理器，該處理器由快速高保真的量子邏輯門組成。我們的機(jī)器在200秒內(nèi)完成了目標(biāo)計(jì)算；從實(shí)驗(yàn)中的測量結(jié)果來看，我們確定世界上最快的超級計(jì)算機(jī)需要10000年才能獲得類似的輸出。

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左圖：藝術(shù)家描繪的安裝在低溫恒溫器中的Sycamore處理器。（谷歌常駐AI量子藝術(shù)家Forest Stearns）右圖：Sycamore處理器照片。（研究科學(xué)家兼量子硬件生產(chǎn)負(fù)責(zé)人Erik Lucero）

實(shí)驗(yàn)

為了解該基準(zhǔn)的工作原理，設(shè)想一下熱情的量子計(jì)算新手造訪我們的實(shí)驗(yàn)室，以便在我們的新處理器上運(yùn)行量子算法。他們可以利用基本門操作的小詞典編寫算法。由于每個(gè)門都有出錯(cuò)概率，我們的客人希望將自己限制在一個(gè)適度的順序，總共約1000個(gè)門。假設(shè)這些程序員之前毫無經(jīng)驗(yàn)，他們可能創(chuàng)建的東西實(shí)際上如同隨機(jī)序列的門，這好比是量子計(jì)算機(jī)的“hello world”程序。由于隨機(jī)電路中沒有經(jīng)典算法可以利用的結(jié)構(gòu)，模擬這類量子電路通常需要經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)完成大量的工作。

量子計(jì)算機(jī)上每次運(yùn)行隨機(jī)量子電路都會生成一個(gè)比特串，比如0000101。由于量子干涉，我們多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一些比特串比其他比特串極容易出現(xiàn)。然而，隨著量子比特的數(shù)量（寬度）和門周期的數(shù)量（深度）增加，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上為隨機(jī)量子電路找到最可能的比特變得異常困難。

在實(shí)驗(yàn)中，我們先使用12個(gè)到53個(gè)量子比特運(yùn)行隨機(jī)簡化電路，保持電路深度不變。我們使用經(jīng)典模擬檢查量子計(jì)算機(jī)的性能，并與理論模型進(jìn)行了比較。一旦我們證實(shí)了系統(tǒng)正常工作，就運(yùn)行有53個(gè)量子比特的隨機(jī)硬件電路，且深度不斷增加，直至達(dá)到經(jīng)典模擬變得不可行的地步。

估算量子霸權(quán)電路的驗(yàn)證時(shí)間，這個(gè)值與Schrödinger-Feynman算法的量子比特?cái)?shù)和周期數(shù)有關(guān)。紅星表示實(shí)驗(yàn)電路的估計(jì)驗(yàn)證時(shí)間

該結(jié)果是針對內(nèi)容擴(kuò)展的Church-Turing論題的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)；該論題聲稱，經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以有效地實(shí)現(xiàn)任何“合理的”計(jì)算模型。借助無法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上合理模擬的第一個(gè)量子計(jì)算，我們開辟了有待探索的計(jì)算新領(lǐng)域。

Sycamore處理器

量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)名為“Sycamore”的完全可編程的54個(gè)量子比特處理器上進(jìn)行的。該處理器由二維網(wǎng)格組成，其中每個(gè)量子比特與另外四個(gè)量子比特相連。因而，芯片有足夠的連接性，以至于量子比特狀態(tài)在整個(gè)處理器當(dāng)中快速交互，從而使總體狀態(tài)不可能用經(jīng)典計(jì)算機(jī)有效地模擬。

量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的成功歸功于我們改進(jìn)了雙量子比特門，經(jīng)過增強(qiáng)的并行機(jī)制可靠地獲得了創(chuàng)記錄的性能，即使同時(shí)操作多個(gè)門。我們使用一種新型的控制旋鈕實(shí)現(xiàn)了這個(gè)性能，該控制旋鈕能夠關(guān)閉相鄰量子比特之間的交互，這大大減少了這種多連接量子比特系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。通過優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)以降低串?dāng)_，并開發(fā)避免量子比特缺陷的新控制校準(zhǔn)，我們進(jìn)一步提升了性能。

我們在二維正方形網(wǎng)格中設(shè)計(jì)了電路，每個(gè)量子比特與另外四個(gè)量子比特相連。該架構(gòu)還向前兼容，以便實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)機(jī)制。我們將54個(gè)量子比特的Sycamore處理器視為一系列功能更強(qiáng)大的量子處理器中的第一個(gè)。

熱圖顯示了同時(shí)操作的所有量子比特的單量子比特（e1；十字塊）和雙量子比特（e2；條塊）Pauli誤差。所示布局遵循處理器上量子比特的分布。

測試量子物理

為了確保量子計(jì)算機(jī)在未來的實(shí)用性，我們還需要驗(yàn)證沒有來自量子力學(xué)的根本障礙。物理界有著通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論極限的悠久歷史，因?yàn)槿藗冮_始探索具有大不相同的物理參數(shù)的新體系時(shí)，常常會出現(xiàn)新現(xiàn)象。之前的實(shí)驗(yàn)表明，量子力學(xué)在狀態(tài)空間維數(shù)達(dá)到約1000個(gè)的情況下仍能按預(yù)期工作。在這里，我們將該測試擴(kuò)大到10萬億個(gè)大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一切仍按預(yù)期工作。我們還通過測量雙量子比特門的誤差來測試基本量子理論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這準(zhǔn)確預(yù)測了標(biāo)準(zhǔn)量子霸權(quán)電路的基準(zhǔn)測試結(jié)果。這表明沒有意外的物理因素會降低我們量子計(jì)算機(jī)的性能。因此，我們的實(shí)驗(yàn)提供了證據(jù)，表明更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該按照理論運(yùn)行，并使我們對繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模充滿信心。

應(yīng)用領(lǐng)域

Sycamore量子計(jì)算機(jī)是完全可編程的，可以運(yùn)行通用量子算法。自從春季獲得量子霸權(quán)成果以來，我們的團(tuán)隊(duì)一直致力于研究近期的應(yīng)用，包括量子物理模擬和量子化學(xué)，以及應(yīng)用于生成式機(jī)器學(xué)習(xí)及其他領(lǐng)域。

下一步是什么？

我們的團(tuán)隊(duì)在將來有兩個(gè)主要目標(biāo)，都旨在為量子計(jì)算尋找有價(jià)值的應(yīng)用。首先，將來我們將向合作者和學(xué)術(shù)研究人員以及有興趣開發(fā)算法，為如今的NISQ處理器尋找應(yīng)用領(lǐng)域的公司提供我們的量子霸權(quán)級處理器。富有創(chuàng)造力的研究人員是創(chuàng)新的最重要資源——鑒于我們有了一種新的計(jì)算資源，我們希望更多的研究人員能夠通過嘗試發(fā)明有用的技術(shù)而進(jìn)入這一領(lǐng)域。

其次，我們往團(tuán)隊(duì)和技術(shù)投入資源，盡快研制出容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。這種設(shè)備有望應(yīng)用于眾多重要領(lǐng)域。比如說，我們可以設(shè)想量子計(jì)算有助于設(shè)計(jì)新材料——用于汽車和飛機(jī)的輕型電池、可以更高效地生產(chǎn)肥料的新型催化劑（如今這個(gè)過程產(chǎn)生的碳排放量占全球的2%以上）以及更有效的藥物。獲得必要的計(jì)算能力仍需要做多年艱苦的工程和科學(xué)工作。但是我們現(xiàn)在清楚地看到了一條道路，我們渴望向前邁進(jìn)。

博客原文：https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

谷歌CEO桑德爾·皮查伊（Sundar Pichai）今日發(fā)表題為“我們的量子計(jì)算里程碑意味著什么”的文章。對谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的重大突破進(jìn)行了回顧，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。（由新浪科技翻譯）

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以下為皮查伊文章全文：

今天，《自然》雜志刊登了創(chuàng)刊150周年的紀(jì)念文章，闡述了谷歌研究團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的重大突破，即“量子優(yōu)越性”（quantum supremacy）。這是一個(gè)專業(yè)術(shù)語，意思是我們已經(jīng)開始使用量子計(jì)算機(jī)來解決問題，這些問題要使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來解決，所需要的時(shí)間是不可想象的。顯然，這一刻代表著我們努力利用量子力學(xué)原理解決計(jì)算問題取得一個(gè)重大里程碑。

在對未來感到興奮的同時(shí)，我們也為取得這一成就所經(jīng)歷的旅程感到卑微。我們銘記著偉大的“諾貝爾獎(jiǎng)”獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）留給我們的智慧：“如果認(rèn)為你已經(jīng)了解了量子力學(xué)，那么你就不了解量子力學(xué)。”

在許多方面，建造一臺量子計(jì)算機(jī)的努力，是關(guān)于我們對周圍世界還不了解的所有事情的一堂大課。雖然宇宙從根本上是在量子水平上運(yùn)行的，但人類并不是以這樣方式在體驗(yàn)。事實(shí)上，量子力學(xué)的許多原理直接與我們對自然的表面觀察相矛盾。但是，量子力學(xué)的本性具有極大的計(jì)算潛力。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的一個(gè)比特（bit）可以將信息存儲為0或1，而一個(gè)量子比特（qubit）可以同時(shí)為0和1，這是一種被稱為“疊置”（superposition）的屬性。所以如果你有兩個(gè)量子比特，就會有四種可能的狀態(tài)，你可以把它們疊加在一起。顯然，這種計(jì)算狀態(tài)會呈“指數(shù)級”增長。對于333個(gè)量子比特，會有2^333，或1.7x10^100個(gè)計(jì)算狀態(tài)。你可以把它疊加在一起，允許量子計(jì)算機(jī)同時(shí)探索一個(gè)問題可能擁有的許多解決方案。

在我們擴(kuò)大計(jì)算可能性時(shí)，我們開啟了新的計(jì)算。為了證明其優(yōu)越性，我們的量子計(jì)算機(jī)在短短200秒內(nèi)成功地完成了一道測試計(jì)算。而對于傳統(tǒng)的最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)，需要數(shù)千年才能完成。我們之所以能夠達(dá)到如此快的速度，就是因?yàn)槲覀儗α孔颖忍氐目刂瀑|(zhì)量。雖然量子計(jì)算機(jī)很容易出錯(cuò)，但我們的實(shí)驗(yàn)表明， 它在大規(guī)模計(jì)算時(shí)較少犯錯(cuò)的能力足以超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

對于我們這些從事科學(xué)技術(shù)工作的人來說，這是我們一直在等待的“你好，世界”（hello world）時(shí)刻，也是迄今為止量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)所取得的最有意義的里程碑。但是，從今天的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)到明天的實(shí)際應(yīng)用，我們還有很長的路要走；我們需要很多年才能實(shí)現(xiàn)更廣泛的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

對于今天的這則新聞（量子計(jì)算機(jī)所取得的突破），我們可以想象當(dāng)初建造第一枚火箭成功脫離地球引力到達(dá)太空邊緣。當(dāng)時(shí)，一些人問道：為什么要進(jìn)入太空，我們又得到任何有用的東西？但這對科學(xué)來說是一個(gè)重大的創(chuàng)舉，因?yàn)樗试S人類設(shè)想一個(gè)完全不同的旅行，到月球，到火星，到超越我們自己的星系。它向我們展示了什么是可能的，并將看似不可能的事情推上日程。

這就是這個(gè)里程碑對量子計(jì)算世界的意義：一個(gè)可能的時(shí)刻。

對于谷歌來說，我們?nèi)〉眠@一突破花費(fèi)了13年的時(shí)間。2006年，谷歌科學(xué)家哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）開始探索量子計(jì)算如何幫助我們加快機(jī)器學(xué)習(xí)。這項(xiàng)工作促成了我們的Google AI量子團(tuán)隊(duì)的成立，2014年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰·馬丁尼斯（John Martinis）和他的團(tuán)隊(duì)加入到我們建造量子計(jì)算機(jī)的努力中。兩年后，塞爾吉奧·博伊索（Sergio Boixo）發(fā)表了一篇論文，重點(diǎn)闡述了我們在明確定義的量子優(yōu)越性計(jì)算任務(wù)上的努力。如今，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了世界上第一個(gè)量子系統(tǒng)，超過了傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)在這種特定計(jì)算中的能力。

我們之所以做出這些早期的押注，是因?yàn)槲覀兿嘈牛F(xiàn)在也依然相信，量子計(jì)算可以加速解決一些世界上最緊迫的問題，從氣候變化到疾病。鑒于自然界的量子力學(xué)行為，量子計(jì)算為我們在分子水平上理解和模擬自然界提供了最好的機(jī)會。有了這一突破，我們現(xiàn)在離應(yīng)用量子計(jì)算更近了一步。例如，設(shè)計(jì)更高效的電池，使用更少的能源制造肥料，并找出哪些分子可以制造有效的藥物。

當(dāng)然，這些應(yīng)用還需要很多年的時(shí)間來探索。但我們承諾，將建造這樣的量子計(jì)算機(jī)，為這些發(fā)現(xiàn)提供動(dòng)力。我們一直很清楚，這將是一場“馬拉松”行動(dòng)，而不是短暫的沖刺。要構(gòu)建一些還沒有被證明的東西，本來就沒有劇本。如果團(tuán)隊(duì)需要一個(gè)部件，他們必須要自己發(fā)明并構(gòu)建它。如果它不起作用（經(jīng)常會不起作用），他們不得不重新設(shè)計(jì)和重新建造它。

一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2018年10月，當(dāng)時(shí)南加州野火肆虐。我收到一條消息，出于足夠的謹(jǐn)慎，他們需要關(guān)閉圣巴巴拉（Santa Barbara）實(shí)驗(yàn)室?guī)滋臁Ｎ也恢赖氖牵?dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)正經(jīng)歷一個(gè)進(jìn)展緩慢的時(shí)期。但幾天的強(qiáng)制休假幫助團(tuán)隊(duì)重新設(shè)置并以不同的方式思考問題，幾個(gè)月后，他們?nèi)〉昧诉@一突破。

與任何先進(jìn)技術(shù)一樣，量子計(jì)算也有自己的問題。在思考這些問題時(shí)，我們遵循了一系列人工智能原則，這些原則是我們開發(fā)的，以幫助指導(dǎo)負(fù)責(zé)任的先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。例如，多年來，安全社區(qū)在谷歌的支持下，一直致力于“后量子密碼學(xué)”（post-quantum cryptography）。我們樂觀地認(rèn)為，在未來的加密問題上，我們走在了前面。

我們將繼續(xù)公布研究成果，并使用我們的開源框架Cirq幫助更廣泛的社區(qū)開發(fā)量子加密算法。我們感謝美國國家科學(xué)基金會（NSF）對我們研究人員的支持，以及與美國國家航空航天局Ames研究中心和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的密切合作。與互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器學(xué)習(xí)一樣，政府對基礎(chǔ)研究的支持對于長期的科技成就仍至關(guān)重要。

量子計(jì)算對谷歌和世界未來的影響巨大，我對此感到興奮。這種樂觀情緒部分來自技術(shù)本身的屬性，這可以追溯到20世紀(jì)50年代的“巨型”計(jì)算機(jī)，到今天我們利用人工智能來服務(wù)人們的日常生活。

量子計(jì)算將是對我們在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上所做的工作的極大補(bǔ)充。在許多方面，量子將給計(jì)算帶來完整的循環(huán)，賦予我們另一種方式使用通用語言，了解世界和人類，而不僅僅在1和0中，而是在所有狀態(tài)中：美麗，復(fù)雜，并且具有無限的可能性。

博客原文：https://blog.google/perspectives/sundar-pichai/what-our-quantum-computing-milestone-means

論文：《使用可編程超導(dǎo)處理器的量子霸權(quán)》