美國時間 3 月 5 日，谷歌研究博客（Google Research Blog）丟出一個深水炸彈——Bristlecone，這是一個 72 量子比特的量子芯片。

　　谷歌 Google 此次公布的 Bristlecone 的量子芯片使用了一種新的架構(gòu)，允許單個陣列上的 72 個量子比特具有重疊設(shè)計，將兩個不同的網(wǎng)格放在一起。

▲左邊是谷歌最新的 72 量子比特量子處理器 Bristlecone 右邊是圖示：每個“X”代表一個量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連

　　Google 利用稱為量子糾錯（Quantum Error Correction）的專門流程對 Bristlecone 進(jìn)行了優(yōu)化，以盡可能降低錯誤率。正是谷歌這樣的設(shè)計，讓 Bristlecone 量子芯片在達(dá)到 72 量子比特的同時也實(shí)現(xiàn)了1% 的錯誤率。

　　一時間，科技圈炸開了鍋，因為這意味著，在實(shí)現(xiàn)量子計算這條賽道上，目前谷歌可能成為了領(lǐng)跑的那一個（關(guān)于量子計算機(jī)更通俗易懂的報道可以參看：量子計算機(jī)有多可怕一秒破譯全世界所有密碼！）。

　　畢竟，上周，在舊金山舉行的 IBM Inaugural Index 開發(fā)者大會上，IBM 才對外展示了其 50 個量子比特原型機(jī)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　這個 72 量子比特的量子芯片到底意味著什么？這并不表示，谷歌已經(jīng)造出了 72 量子比特的量子計算機(jī)，只是離這個目標(biāo)更近了一步，這條路還很長，所以科技圈也不要太嗨。從 72 量子比特芯片到 72 量子比特的量子計算機(jī)中間還存在很多需要攻克的障礙，比如，目前超級計算機(jī)所能模擬的最大量子比特數(shù)為 46 量子比特，而 72 量子比特所需要的 RAM（Random-Access Memory，隨機(jī)存取存儲）是 46 量子比特的數(shù)百萬倍。

　　谷歌可能憑 Bristlecone 實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

　　2017 年 11 月的《自然》雜志采訪中，谷歌量子計算專家約翰·馬丁尼（John Martinis）提出，當(dāng)一臺量子計算機(jī)具有大約 50 量子比特的時候，其計算能力和速度將超過世界上任何計算機(jī)，能解決經(jīng)典計算機(jī)所解決不了的問題。

　　因此，業(yè)內(nèi)也將達(dá)到 50 量子比特的計算機(jī)稱為達(dá)到了“量子霸權(quán)/量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy）”，即 50 量子比特的量子計算機(jī)優(yōu)于現(xiàn)在的任何一臺經(jīng)典計算機(jī)。

　　不過，要實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，僅僅達(dá)到高數(shù)量的量子比特是不夠的。量子比特的低錯誤率至關(guān)重要，不然就會影響計算結(jié)果。只有足夠多的量子比特和足夠低的錯誤率才能實(shí)現(xiàn)一個真正實(shí)用的量子計算機(jī)。

　　根據(jù)谷歌的說法，實(shí)用量子計算機(jī)的最低錯誤率必須在1% 以內(nèi)，并且接近 100 個量子比特。從這次公布的 Bristlecone 量子芯片來看，谷歌似乎已經(jīng)達(dá)到了這個目標(biāo)，Bristlecone 量子芯片達(dá)到 72 位量子比特，錯誤率為1%，單量子比特門錯誤率為 0.1%，雙量子比特門錯誤率為 0.6%。

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▲科學(xué)家 Marissa Giustina 在位于 Santa Barbara 的 Quantum AI 實(shí)驗室中安裝 Bristlecone 芯片

　　Google 在公布 Bristlecone 的那篇谷歌科技博客中表示：

　　“如果一個量子處理器可以在足夠低的誤差下運(yùn)行，它就能夠在一個明確的計算機(jī)科學(xué)問題上超越經(jīng)典的超級計算機(jī)，這個成就被稱為量子霸權(quán)。這些隨機(jī)電路在量子比特數(shù)和計算長度（深度）方面都必須很大。

　　盡管還沒有人達(dá)到這個目標(biāo)，但我們預(yù)計，量子霸權(quán)可以用 49 個量子比特、電路深度超過 40 以及雙量子比特錯誤率低于 0.5% 來達(dá)到。我們相信，量子處理器超越超級計算機(jī)的實(shí)驗性演示將是這個領(lǐng)域的分水嶺，并且仍然是我們的關(guān)鍵目標(biāo)之一。”

　　谷歌之前放過話，說在 2017 年內(nèi)會做出一個 49 量子比特的量子芯片來實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”（Quantum Supremacy）。量子霸權(quán)，也叫做量子優(yōu)勢意味著量子計算機(jī)可以比世界上最快的超級計算機(jī)更快地執(zhí)行一些定義明確的科學(xué)問題。

　　在 Google 宣布要在 2017 年內(nèi)造出 49 量子比特的量子芯片后不久，IBM 提出，對于某些特定的量子應(yīng)用，可能需要 56 或更多的量子位以證明量子霸權(quán)。而 Google 似乎打算消除所有疑慮，所以現(xiàn)在它推出 72 量子比特的量子芯片并且把目標(biāo)從實(shí)現(xiàn) 49 量子比特的量子計算機(jī)直接升級到實(shí)現(xiàn) 72 量子比特的量子計算機(jī)。

　　谷歌的量子霸權(quán)之路

　　谷歌宣布研制出低錯誤率、72 量子比特的量子芯片 Bristlecone，并且正在往實(shí)現(xiàn) 72 量子比特的量子計算機(jī)的方向上推進(jìn)，雖然 72 量子比特非常令人興奮，但是從量子芯片到量子計算機(jī)，谷歌要做的工作還有很多。

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　　2017 年 12 月，來自德國Jülich 超級計算中心（Jülich Supercomputing Centre），中國武漢大學(xué)和荷蘭格羅寧根大學(xué)（the University of Groningen）的研究人員宣布，他們打破了在經(jīng)典超級計算機(jī)上可以模擬量子比特數(shù)量的世界紀(jì)錄。

　　該團(tuán)隊能夠在超級計算機(jī)上模擬 46 個量子位，打破了之前 45 個量子位的記錄。盡管 45 和 46 量子比特之間的差別可能看起來很小，但是，每增加一個量子比特，其對于各方面的要求都是指數(shù)性增加的。通常情況下，如果其他條件相同，每個額外量子比特的內(nèi)存需求會翻倍。

　　因此目前，最強(qiáng)大的超級計算機(jī)只能模擬 46 個量子比特，并且對于需要模擬的每個新量子比特而言，其存儲需求通常會增加一倍。

　　因此，要模擬一個 72 量子比特的量子計算機(jī)，我們需要數(shù)百萬倍的 RAM（Random-Access Memory，隨機(jī)存取存儲），也就是 2 的（72-46）次方倍數(shù)。外媒 Tom’ Hardware 認(rèn)為我們很可能無法在超級計算機(jī)中達(dá)到這樣體量的 RAM。

　　如果谷歌正在研究的 72 量子比特的量子計算機(jī)能夠比我們最強(qiáng)大的超級計算機(jī)更快地運(yùn)行任何算法，那么量子霸權(quán)時代將會到來。對此，谷歌也表示：“我們樂觀但同時也是謹(jǐn)慎地認(rèn)為，利用 Bristlecone 可以實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)”。

　　量子計算的發(fā)展前景

　　根據(jù)谷歌的說法，當(dāng)我們可以實(shí)現(xiàn) 0.1-1% 的錯誤率以及數(shù)十萬至數(shù)百萬的量子比特時，量子計算機(jī)將在解決實(shí)際問題時會變得非常有用。理想的量子計算機(jī)至少要有數(shù)以百萬計的量子比特，錯誤率低于 0.01%，而這一目標(biāo)可能需要幾十年的時間才能實(shí)現(xiàn)。

　　而在實(shí)現(xiàn)這樣的成果之前，我們可能就會開始看到量子計算機(jī)的一些非常“驚人”的應(yīng)用。例如，外媒 Motherboard 認(rèn)為當(dāng)量子計算機(jī)有 4000 個量子比特時，破壞大多數(shù)現(xiàn)有的密碼學(xué)是可能的（比如區(qū)塊鏈）。而如果量子計算機(jī)按照當(dāng)前進(jìn)展速度持續(xù)下去，我們可能能夠在十年左右達(dá)到這一目標(biāo)。