量子計(jì)算一直被認(rèn)為是下一代工業(yè)革命的引擎，各個(gè)國(guó)家、科技公司都在量子計(jì)算及相關(guān)軟件上加足了馬力進(jìn)行研發(fā)。前段時(shí)間，谷歌的量子AI團(tuán)隊(duì)也對(duì)自己的2021進(jìn)行了總結(jié)。

研究人員表示，盡管量子計(jì)算仍然是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的課題，但他們?cè)谶^去的一年中總共發(fā)表了18篇論文，取得了豐碩的成果，尤其是在構(gòu)建完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)（fully error-corrected quantum computer）方面取得了重大進(jìn)展。

并且Quantum AI團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始著手研發(fā)下一個(gè)硬件里程碑：糾錯(cuò)量子比特原型機(jī)（error-corrected quantum bit prototype）。

硬件革新

想要進(jìn)行量子計(jì)算，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是必不可少的，所以硬件的開發(fā)也是重中之重。

今年5月，谷歌官宣了位于圣芭芭拉的量子AI園區(qū)（Quantum AI Campus），里面有數(shù)據(jù)中心、芯片制造設(shè)施、研究實(shí)驗(yàn)室和龐大的辦公區(qū)域，全都是為了打造和運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)服務(wù)的。

當(dāng)時(shí)Google的量子人工智能團(tuán)隊(duì)的首席工程師Erik Lucero就給自己設(shè)定了一個(gè)小目標(biāo)：未來十年內(nèi)構(gòu)建一臺(tái)糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

他們也希望利用在研發(fā)硬件過程中獲取的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，來開發(fā)具有變革性（transformational）的量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。

谷歌提出在2029年交付量子計(jì)算機(jī)，主要因?yàn)楣雀柙诹孔佑布_發(fā)上還真有點(diǎn)東西，大概可以分為下面三點(diǎn)：

1.谷歌曾經(jīng)證明了量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)中的性能優(yōu)于當(dāng)今的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)。

2019年10月23日，谷歌聲稱在他們的量子芯片Sycamore上大約200秒時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)，當(dāng)時(shí)地表最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit需10000年才能完成對(duì)應(yīng)的任務(wù)。該成果當(dāng)時(shí)發(fā)表在了頂級(jí)刊物《自然》雜志上。一時(shí)間全球嘩然，業(yè)界普遍認(rèn)為這是量子計(jì)算發(fā)展的開辟式里程碑，甚至比作萊特兄弟在基蒂霍克的首次航空飛行。

但量子霸權(quán)（Quantum supremacy）一詞在卻飽受爭(zhēng)議，因?yàn)楣雀杪暦Q的一萬(wàn)年實(shí)際上也有水分，后來研究人員將該任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間逐漸降低到5天，并沒有想象中的碾壓優(yōu)勢(shì)，所以目前業(yè)界更多采用量子優(yōu)越性來表述。

2.谷歌有能力建立一個(gè)糾錯(cuò)量子位（error-corrected qubit）的原型機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，很容易出現(xiàn)由底層物理系統(tǒng)‘噪聲’引起的錯(cuò)誤。如何處理這些錯(cuò)誤是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。普通計(jì)算機(jī)可以通過簡(jiǎn)單地復(fù)制比特，并使用這些副本來驗(yàn)證正確狀態(tài)進(jìn)而防止錯(cuò)誤。但量子計(jì)算機(jī)無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)榱孔恿W(xué)禁止將一個(gè)量子比特的未知狀態(tài)復(fù)制給其他量子比特。

谷歌物理學(xué)家Julian Kelly研究了量子處理器‘懸鈴木’的量子糾錯(cuò)能力，其中懸鈴木包含一個(gè)54超導(dǎo)量子比特的二維陣列。

研究人員運(yùn)行了兩種量子糾錯(cuò)碼，一種是最多由21個(gè)量子比特組成的一維鏈重復(fù)碼，用來測(cè)試錯(cuò)誤抑制能力；另一種是由7個(gè)量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設(shè)置相容性的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

研究表明，將重復(fù)碼基于的量子比特?cái)?shù)量從5個(gè)提高到21個(gè)，對(duì)邏輯錯(cuò)誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這種錯(cuò)誤抑制能力在50次糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)穩(wěn)定。

但Kelly表示，盡管如此，該團(tuán)隊(duì)只是在完全糾正錯(cuò)誤的途中。他們未能同時(shí)解決兩種影響量子比特的錯(cuò)誤：比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)。

目前谷歌的目標(biāo)是通過在多個(gè)物理量子位上冗余編碼量子信息來實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的原語(yǔ)，證明這種冗余會(huì)導(dǎo)致使用單個(gè)物理量子位的改進(jìn)，這也是目前谷歌努力的方向。

3.谷歌有能力構(gòu)建一個(gè)任意長(zhǎng)時(shí)間都沒有錯(cuò)誤的邏輯量子位（logical qubit）。

邏輯量子位跨多個(gè)物理量子位對(duì)信息進(jìn)行冗余編碼，并且能夠減少噪聲對(duì)整體量子計(jì)算的影響。將幾千個(gè)邏輯量子位放在一起將使谷歌能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算機(jī)在各種應(yīng)用中的全部潛力。

糾錯(cuò)量子比特進(jìn)展

目前來說，各式各樣的量子計(jì)算機(jī)與未來完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)之間的差距仍然是巨大的。

2021年，谷歌一直致力于構(gòu)建一個(gè)原型邏輯量子位（prototype logical qubit），并將其誤差降低到小于谷歌芯片上物理量子位的誤差，為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展向前推進(jìn)一大步。

想要完成這項(xiàng)工作需要改進(jìn)整個(gè)量子計(jì)算堆棧（quantum computing stack），所以谷歌制造了一個(gè)具有更佳量子位的芯片，改進(jìn)了封裝芯片的方法，從而更好地將它們與谷歌的控制電子設(shè)備連接起來，并開發(fā)了同時(shí)校準(zhǔn)具有幾十個(gè)量子位的大型芯片的技術(shù)。

這些改進(jìn)最后產(chǎn)生了兩個(gè)關(guān)鍵性的成果。

首先，谷歌現(xiàn)在能夠以高保真度重置谷歌的量子位，允許谷歌在量子計(jì)算中重用量子位。

其次，谷歌實(shí)現(xiàn)了中間電路測(cè)量（mid-circuit measurements），使谷歌能夠跟蹤量子電路內(nèi)的計(jì)算。

在谷歌最近使用重復(fù)代碼（repetition codes）和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行指數(shù)抑制（ exponential suppression of bit and phase flip errors）的演示中，通過同時(shí)使用高保真復(fù)位（high-fidelity resets）和中間電路測(cè)量，在代碼量從 5 量子位增長(zhǎng)到 21 量子位的情況下，錯(cuò)誤降低了100 倍。

重復(fù)代碼是一種常用的糾錯(cuò)工具，使得量子計(jì)算機(jī)能夠在資源（更多量子比特）和性能（更低錯(cuò)誤）之間進(jìn)行權(quán)衡，這也是谷歌研發(fā)未來硬件的核心指導(dǎo)思想。

2021，谷歌還研究了隨著一維代碼（1-dimensional code）包含的量子位數(shù)量的增加，錯(cuò)誤是如何減少的。谷歌目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將這些結(jié)果擴(kuò)展到二維表面代碼（2-dimensional Surface codes），可以更加全面地糾正錯(cuò)誤。

量子計(jì)算的應(yīng)用

除了構(gòu)建量子硬件，谷歌的團(tuán)隊(duì)還在現(xiàn)實(shí)世界中尋找量子計(jì)算具有明顯優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景。

谷歌與在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的從業(yè)者一起探索量子計(jì)算機(jī)可以提供顯著計(jì)算加速的領(lǐng)域，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的效果也很有現(xiàn)實(shí)意義：糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該至少取得二次加速（quadratic speedups）才算有意義的改進(jìn)。

谷歌與加州理工學(xué)院的一項(xiàng)合作研究的結(jié)果表明，在某些條件下，量子計(jì)算機(jī)可以通過比傳統(tǒng)要求少得多的實(shí)驗(yàn)來了解物理系統(tǒng)（physical systems）。這種新提出的方法使用 40 個(gè)量子位和 1300 個(gè)量子操作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即使使用谷歌目前帶噪聲的量子處理器（noisy quantum operations），也證明了巨大的量子優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子傳感方面的工作鋪平了道。

谷歌與哥倫比亞大學(xué)的研究人員合作，將最強(qiáng)大的化學(xué)模擬技術(shù)量子蒙特卡羅與量子計(jì)算相結(jié)合，成功超越了以前的方法，目前已經(jīng)成為基態(tài)多電子計(jì)算（ground state many-electron calculations）的一種有前景的量子方法，對(duì)于創(chuàng)造新材料和理解材料的化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。

即使在具有多達(dá) 16 個(gè)量子位的計(jì)算設(shè)備存在噪聲的情況下，谷歌也能夠在不犧牲測(cè)量精度的情況下將先前計(jì)算的大小增加一倍。

谷歌還繼續(xù)研究了如何使用量子計(jì)算機(jī)來模擬量子物理現(xiàn)象。去年11月30日，谷歌在《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章，表示他們已經(jīng)通過Sycamore量子計(jì)算硬件創(chuàng)建了時(shí)間晶體（time crystal）。

這對(duì)理論物理學(xué)家來說是一個(gè)偉大的時(shí)刻，時(shí)間晶體存在的可能性，他們已經(jīng)思考了近一個(gè)世紀(jì)。

在其他工作中，谷歌還與 NASA 艾姆斯研究中心的合作者共同完成了在谷歌的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量無序相關(guān)性來探索量子混沌動(dòng)力學(xué)（measuring out-of-time-ordered correlations）。

與慕尼黑技術(shù)大學(xué)的合作者使用淺量子電路（shallow quantum circuits）創(chuàng)建其本征態(tài)（eigenstates），通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量復(fù)曲面碼哈密頓量基態(tài)的糾纏熵（entanglement entropy of the ground state of the Toric code Hamiltonian）。

谷歌表示，2021年一些最有影響力的研究成果很多都是跟各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的合作者共同完成的，其中一些也啟發(fā)了谷歌的下一步研究方向。

2022年，谷歌Quantum AI將繼續(xù)和其他合作者共同探索和實(shí)現(xiàn)有意義的量子應(yīng)用、量子化學(xué)和多體量子物理學(xué)。