這是量子計算領域的一個里程碑

這是量子計算領域的一個里程碑：谷歌在“量子優勢”領域的突破性研究已經登上了《自然》雜誌150週年紀念版的封面。谷歌首席執行官皮查伊（Sundar Pichai）在接受麻省理工學院（MIT）採訪時表示，這項研究成果對谷歌具有“里程碑式”的意義，並將其與萊特兄弟發明飛機時的首個12秒成功試飛進行了比較。

與此同時，就連特朗普的大女兒伊萬卡也忍不住在第一時間發出了賀電：

美國取得了量子霸權！

這可能是量子計算正在走向實用化的一個跡象：谷歌使用了54位量子計算機來完成傳統架構計算機無法完成的任務。在世界上第一臺超級計算需要計算10000年的實驗中，量子計算機只需3分20秒。

今年9月，美國宇航局網站上發表了一篇題為“使用可編程超導處理器的量子至尊”的論文，研究人員在該論文中提出了這一想法。儘管該報很快被刪除，但這一消息引起了廣泛關注。

“量子霸權”的實現是令人興奮的（谷歌官方建議這樣翻譯，而不是量子霸權），但它也對研究的真實性提出了質疑。幸運的是，同行評議沒有讓我們等太久。在《自然》雜誌150週年特刊的封面上，我們看到了這篇論文。

這篇論文的發表也意味著谷歌的研究得到了業界的認可。”隨著我們擴大計算的可能性，我們也解鎖了新的計算量子計算容易出錯，但我們的實驗表明，量子計算機還可以減少計算中的錯誤，並擴展到經典計算機之外。”

皮查伊說：“對於科學技術領域的研究人員來說，這是一個期待已久的‘你好世界’——到目前為止，這是量子計算實際應用中最重要的里程碑。”我們可以把它比作人類建造的第一枚火箭，它是為了擺脫重力的束縛，接觸太空的邊緣。”

這一成就來自科學家們的不懈努力。谷歌從事量子計算已經13年了。2006年，谷歌科學家Hartmut neven開始探索在量子計算中加速機器學習的方法。這項工作導致了谷歌人工智能量子團隊的成立。2014年，加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）的約翰·馬丁尼斯（John martinis）和他的團隊加入了谷歌（Google）建設量子計算機的行列。兩年後，Sergio boixo等人發表了他們的論文，Google開始專注於實現量子計算優勢的任務。

現在，這個團隊已經建立了世界上第一個超越傳統超級計算機能力的量子系統，它可以執行特定的任務。

谷歌首席執行官桑德爾皮查伊和谷歌在聖巴巴拉實驗室的量子計算機。

谷歌昨天還在博客中介紹了這項重要研究：

近30年來，物理學家一直在討論量子計算的威力，但有人一直在問：量子計算有用嗎？值得投資嗎？對於這樣一個大型的工程，其決定性的短期目標是良好的工程實踐，它可以明確設計方向是否正確。所以谷歌設計了一個實驗作為回答這些問題的重要里程碑。這項被稱為“量子優勢”實驗的實驗，引導谷歌團隊克服量子系統的許多固有技術問題，使量子計算機具有可編程性和強大的功能。為了測試整個系統的性能，谷歌研究人員選擇了一個敏感的計算基準。即使計算機的單個組件不夠好，整個系統也不能在這個基準上成功。

最近，谷歌在《自然》雜誌上公佈了實驗結果。他們開發了一臺54位的計算機sycamore，它包含了快速、高保真的量子邏輯門來執行基準測試。梧桐花在200秒內完成目標計算。根據測量結果，谷歌得出結論，這臺世界上速度最快的超級計算機需要一萬年才能產生類似的結果。

左：懸空在低溫恆溫器中的梧桐量子計算機的藝術品；右：梧桐的照片。

實驗

為了理解這個基準是如何工作的，想象一下一些量子計算新手愛好者訪問谷歌的實驗室，在實驗室的新量子計算機上運行量子算法。他們可以編寫基於基本門操作字典的算法。因為每個門都有一個錯誤率，所以這些新手希望將自己限制在一箇中等的序列中，總共有大約1000個門。假設這些程序員沒有經驗，他們將創建一個看似隨機的門序列，您可以將其視為量子計算機的“Hello world”程序。因為在隨機電路中沒有經典算法可以使用的結構，所以通常需要大量的經典計算能力來模擬這些量子電路。

每當一個隨機量子電路在量子計算機上運行時，它就會產生一個位串，如0000101。由於量子干涉的存在，當多次重複實驗時，一些位串比其它位串更容易出現。然而，隨著量子比特數（寬度）和門週期數（深度）的增加，經典計算機上尋找隨機量子電路最可能的比特串的難度將成倍增加。

展示Google quantum優勢的流程圖。

在實驗中，Google首先運行了一個12到53個量子比特的隨機簡化電路，以保持電路深度恆定。然後，他們使用經典模擬來測試量子計算機的性能，並將其與理論模型進行比較。在確認系統可以正常工作後，Google運行了一個隨機硬件電路，電路深度增加了53個qubit，直到達到經典模擬不可行的程度。

根據薛定諤-費曼算法的量子比特數和週期，計算了量子優勢電路的驗證時間。紅星表示實驗電路的估計驗證時間。

這個結果是對擴展的church-Turing理論的第一個實驗挑戰。本文指出，經典計算機可以有效地實現任何“合理”的計算模型。

谷歌說：“隨著第一臺量子計算無法在經典計算機上進行合理模擬，我們開闢了一個新的計算領域。”

谷歌梧桐量子處理器

量子優勢實驗在一個54位的全可編程處理器上進行，這個處理器叫做sycamore。處理器由一個二維網格組成，其中每個qubit連接到其他四個qubit。因此，芯片具有足夠的連接性，量子比特態可以在整個處理器中快速交互，使得經典計算機無法有效地模擬完整態。

谷歌梧桐量子處理器。

量子優勢實驗的成功歸功於Google改進的並行性增強的雙量子比特門，即使同時操作多個量子比特門也能可靠地實現記錄性能。谷歌使用了一個新的控制旋鈕來關閉相鄰量子位之間的交互。這大大減少了系統中的誤差。此外，谷歌還通過優化芯片設計以減少串擾和開發新的控制校準以避免量子比特缺陷，進一步提高了性能。

谷歌設計了一個二維正方形網格的電路，每個qubit連接到另外四個qubit。該體系結構還可以向前兼容，從而實現量子糾錯。54位梧桐處理器是一系列功能更強大的量子處理器的先驅。

熱點圖顯示了所有量子比特操作中單比特和雙比特的Pauli誤差值。置換表示處理器上量子位的分佈。
測試量子物理

為了確保量子計算機在未來有用，谷歌還需要驗證量子力學沒有根本的障礙。用實驗來檢驗理論極限是物理學的一個悠久歷史，因為人們在探索具有非常不同物理參數的新狀態時，往往會發現新的現象。

谷歌此前的實驗顯示，量子力學有望將狀態空間擴大1000倍。在這項研究中，谷歌將測試規模擴大到10萬億美元，並發現一切仍按預期運行。Google還通過測量兩個量子比特門的誤差來驗證基本量子理論，發現它能夠準確預測整個量子優勢電路的基準測試結果。

這說明谷歌量子計算機並沒有出現意外的物理現象，這會降低谷歌量子計算機的性能。因此，谷歌表示，其實驗證實，理論更復雜的量子計算機也可行，並有信心繼續擴大規模。

應用

梧桐是一個完全可編程的量子計算機，可以運行一般的量子算法。自去年春天量子優勢的成就以來，谷歌的團隊一直致力於短期應用，包括量子物理模擬和量子化學，以及在生成性機器學習的其他領域的新應用。

下一步計劃

該團隊的下兩個主要目標是為量子計算找到有價值的應用。首先，在未來，谷歌將為其合作伙伴、學術研究人員和有興趣開發算法和搜索當前nisq處理器應用程序的公司提供自己優越的處理器。創造性的研究人員是最重要的創新資源，所以現在谷歌有了新的計算資源，谷歌希望更多的研究人員能夠進入這個領域，並嘗試做出一些有用的發明。

其次，谷歌投資其團隊和技術，以儘快創建容錯量子計算機。這樣的設備有許多有價值的應用場景。例如，我們可以想象量子計算機有助於設計新材料——汽車和飛機用的輕質電池、能夠更有效地生產肥料的新催化劑（目前生產的肥料佔世界碳排放量的2%以上）和更有效的藥物。但需要指出的是，要達到必要的計算能力，還需要多年的艱苦工程和科研工作。但前進的道路是明確的，谷歌渴望在量子領域取得更多進展。

建立量子計算機是人類認識世界的重要方向。雖然宇宙基本上是建立在量子系統上的，但人們對量子理論的瞭解卻很長一段時間不多。事實上，量子力學的許多原理與自然表面現象的觀測相矛盾。當然，量子力學的性質也有很大的計算潛力。

“雖然我們對光明的未來感到興奮，但我們也為迄今為止的旅程感到謙卑，”桑德爾皮查伊說我們需要記住理查德·費曼的名言：“如果你認為你知道量子力學，你就不知道量子力學。”. "