谷歌認為，它已找到了一條開發容錯量子計算機的出路。

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

關于該論文的消息上個月通過美國宇航局（NASA）的官網泄露出去，詳細說明了谷歌實現了所謂的“量子霸權”（quantum supremacy）：當量子計算機能夠解決經典計算機耗費太長時間以至于不能被認為切合實際的問題時，才稱得上實現量子霸權。

IBM本周對谷歌聲稱已實現量子霸權的說法提出了質疑，因為這家廣告巨頭的研究人員未能為經典計算機上的“大量磁盤存儲”及其他資產作出說明。IBM的研究人員聲稱，谷歌應對的挑戰只需要一臺經典計算機耗時兩天半，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’這個術語其初衷是描述量子計算機在哪個點可以完成傳統計算機無法完成的工作，因此尚未達到這個閾值。”

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

IBM的人員說：“谷歌的實驗充分演示了基于超導的量子計算方面取得的進展，展示了53個量子比特設備上最前沿的門保真度，但不應該將此視為證明量子計算機‘顯著優于’經典計算機。”

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

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’時刻——迄今為止使量子計算成為現實的道路上取得的最有意義的里程碑。”

量子計算的魅力在于，由于名為疊加的量子特性，量子比特可以同時為0和1。

因此，量子計算機上的1和0可以隨時處于四種可能的狀態，而不是傳統計算機中只有1和0。擁有54個量子比特的量子計算機可能有254個計算狀態；由于它可以呈指數級擴展，因此計算機有望在一天內解決復雜得多的挑戰。

谷歌的研究人員在該公司的AI博客上更詳細地介紹了Sycamore處理器。

標題《使用可編程超導處理器的量子霸權》，整篇博文云頭條現編譯如下：

作者：谷歌AI量子團隊的量子硬件首席科學家John Martinis和量子計算理論首席科學家Sergio Boixo

30多年來，物理學家們一直在談論量子計算的功能，但一直存在這個問題：量子計算技術果真會做有用的工作嗎？值得投入嗎？對于如此大規模的項目，制定決定性的短期目標以證明設計是否朝著正確的方向發展是良好的工程做法。因此，我們設計了一個實驗，這是幫助回答這些問題的重要里程碑。該實驗被稱為量子霸權實驗，為我們的團隊克服量子系統工程中固有的許多技術挑戰，制造出可編程且功能強大的計算機提供了方向。為了測試整個系統的性能，我們選擇了一個敏感的計算基準：如果計算機的單單一個部件不夠好，該基準將無法通過。

為了執行基準測試，我們開發了一種名為“Sycamore”的54個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。我們的機器在200秒內完成了目標計算；從實驗中的測量結果來看，我們確定世界上最快的超級計算機需要10000年才能獲得類似的輸出。

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左圖：藝術家描繪的安裝在低溫恒溫器中的Sycamore處理器。（谷歌常駐AI量子藝術家Forest Stearns）右圖：Sycamore處理器照片。（研究科學家兼量子硬件生產負責人Erik Lucero）

實驗

為了解該基準的工作原理，設想一下熱情的量子計算新手造訪我們的實驗室，以便在我們的新處理器上運行量子算法。他們可以利用基本門操作的小詞典編寫算法。由于每個門都有出錯概率，我們的客人希望將自己限制在一個適度的順序，總共約1000個門。假設這些程序員之前毫無經驗，他們可能創建的東西實際上如同隨機序列的門，這好比是量子計算機的“hello world”程序。由于隨機電路中沒有經典算法可以利用的結構，模擬這類量子電路通常需要經典超級計算機完成大量的工作。

量子計算機上每次運行隨機量子電路都會生成一個比特串，比如0000101。由于量子干涉，我們多次重復實驗時，一些比特串比其他比特串極容易出現。然而，隨著量子比特的數量（寬度）和門周期的數量（深度）增加，在經典計算機上為隨機量子電路找到最可能的比特變得異常困難。

在實驗中，我們先使用12個到53個量子比特運行隨機簡化電路，保持電路深度不變。我們使用經典模擬檢查量子計算機的性能，并與理論模型進行了比較。一旦我們證實了系統正常工作，就運行有53個量子比特的隨機硬件電路，且深度不斷增加，直至達到經典模擬變得不可行的地步。

估算量子霸權電路的驗證時間，這個值與Schrödinger-Feynman算法的量子比特數和周期數有關。紅星表示實驗電路的估計驗證時間

該結果是針對內容擴展的Church-Turing論題的第一個實驗挑戰；該論題聲稱，經典計算機可以有效地實現任何“合理的”計算模型。借助無法在經典計算機上合理模擬的第一個量子計算，我們開辟了有待探索的計算新領域。

Sycamore處理器

量子霸權實驗是在一個名為“Sycamore”的完全可編程的54個量子比特處理器上進行的。該處理器由二維網格組成，其中每個量子比特與另外四個量子比特相連。因而，芯片有足夠的連接性，以至于量子比特狀態在整個處理器當中快速交互，從而使總體狀態不可能用經典計算機有效地模擬。

量子霸權實驗的成功歸功于我們改進了雙量子比特門，經過增強的并行機制可靠地獲得了創記錄的性能，即使同時操作多個門。我們使用一種新型的控制旋鈕實現了這個性能，該控制旋鈕能夠關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中的錯誤。通過優化芯片設計以降低串擾，并開發避免量子比特缺陷的新控制校準，我們進一步提升了性能。

我們在二維正方形網格中設計了電路，每個量子比特與另外四個量子比特相連。該架構還向前兼容，以便實現量子糾錯機制。我們將54個量子比特的Sycamore處理器視為一系列功能更強大的量子處理器中的第一個。

熱圖顯示了同時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

為了確保量子計算機在未來的實用性，我們還需要驗證沒有來自量子力學的根本障礙。物理界有著通過實驗檢驗理論極限的悠久歷史，因為人們開始探索具有大不相同的物理參數的新體系時，常常會出現新現象。之前的實驗表明，量子力學在狀態空間維數達到約1000個的情況下仍能按預期工作。在這里，我們將該測試擴大到10萬億個大小，結果發現一切仍按預期工作。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，結果發現這準確預測了標準量子霸權電路的基準測試結果。這表明沒有意外的物理因素會降低我們量子計算機的性能。因此，我們的實驗提供了證據，表明更復雜的量子計算機應該按照理論運行，并使我們對繼續擴大規模充滿信心。

應用領域

Sycamore量子計算機是完全可編程的，可以運行通用量子算法。自從春季獲得量子霸權成果以來，我們的團隊一直致力于研究近期的應用，包括量子物理模擬和量子化學，以及應用于生成式機器學習及其他領域。

下一步是什么？

我們的團隊在將來有兩個主要目標，都旨在為量子計算尋找有價值的應用。首先，將來我們將向合作者和學術研究人員以及有興趣開發算法，為如今的NISQ處理器尋找應用領域的公司提供我們的量子霸權級處理器。富有創造力的研究人員是創新的最重要資源——鑒于我們有了一種新的計算資源，我們希望更多的研究人員能夠通過嘗試發明有用的技術而進入這一領域。

其次，我們往團隊和技術投入資源，盡快研制出容錯量子計算機。這種設備有望應用于眾多重要領域。比如說，我們可以設想量子計算有助于設計新材料——用于汽車和飛機的輕型電池、可以更高效地生產肥料的新型催化劑（如今這個過程產生的碳排放量占全球的2%以上）以及更有效的藥物。獲得必要的計算能力仍需要做多年艱苦的工程和科學工作。但是我們現在清楚地看到了一條道路，我們渴望向前邁進。

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）今日發表題為“我們的量子計算里程碑意味著什么”的文章。對谷歌在量子計算領域取得的重大突破進行了回顧，并對其應用前景進行了展望。（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》雜志刊登了創刊150周年的紀念文章，闡述了谷歌研究團隊在量子計算領域取得的重大突破，即“量子優越性”（quantum supremacy）。這是一個專業術語，意思是我們已經開始使用量子計算機來解決問題，這些問題要使用傳統計算機來解決，所需要的時間是不可想象的。顯然，這一刻代表著我們努力利用量子力學原理解決計算問題取得一個重大里程碑。

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

在許多方面，建造一臺量子計算機的努力，是關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行的，但人類并不是以這樣方式在體驗。事實上，量子力學的許多原理直接與我們對自然的表面觀察相矛盾。但是，量子力學的本性具有極大的計算潛力。

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

在我們擴大計算可能性時，我們開啟了新的計算。為了證明其優越性，我們的量子計算機在短短200秒內成功地完成了一道測試計算。而對于傳統的最強大的超級計算機，需要數千年才能完成。我們之所以能夠達到如此快的速度，就是因為我們對量子比特的控制質量。雖然量子計算機很容易出錯，但我們的實驗表明， 它在大規模計算時較少犯錯的能力足以超越傳統計算機。

對于我們這些從事科學技術工作的人來說，這是我們一直在等待的“你好，世界”（hello world）時刻，也是迄今為止量子計算成為現實所取得的最有意義的里程碑。但是，從今天的實驗室實驗到明天的實際應用，我們還有很長的路要走；我們需要很多年才能實現更廣泛的現實應用。

對于今天的這則新聞（量子計算機所取得的突破），我們可以想象當初建造第一枚火箭成功脫離地球引力到達太空邊緣。當時，一些人問道：為什么要進入太空，我們又得到任何有用的東西？但這對科學來說是一個重大的創舉，因為它允許人類設想一個完全不同的旅行，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。

這就是這個里程碑對量子計算世界的意義：一個可能的時刻。

對于谷歌來說，我們取得這一突破花費了13年的時間。2006年，谷歌科學家哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）開始探索量子計算如何幫助我們加快機器學習。這項工作促成了我們的Google AI量子團隊的成立，2014年，加州大學圣巴巴拉分校的約翰·馬丁尼斯（John Martinis）和他的團隊加入到我們建造量子計算機的努力中。兩年后，塞爾吉奧·博伊索（Sergio Boixo）發表了一篇論文，重點闡述了我們在明確定義的量子優越性計算任務上的努力。如今，該團隊已經建立了世界上第一個量子系統，超過了傳統超級計算機在這種特定計算中的能力。

我們之所以做出這些早期的押注，是因為我們相信，現在也依然相信，量子計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行為，量子計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會。有了這一突破，我們現在離應用量子計算更近了一步。例如，設計更高效的電池，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。

當然，這些應用還需要很多年的時間來探索。但我們承諾，將建造這樣的量子計算機，為這些發現提供動力。我們一直很清楚，這將是一場“馬拉松”行動，而不是短暫的沖刺。要構建一些還沒有被證明的東西，本來就沒有劇本。如果團隊需要一個部件，他們必須要自己發明并構建它。如果它不起作用（經常會不起作用），他們不得不重新設計和重新建造它。

一個轉折點出現在2018年10月，當時南加州野火肆虐。我收到一條消息，出于足夠的謹慎，他們需要關閉圣巴巴拉（Santa Barbara）實驗室幾天。我不知道的是，當時團隊正經歷一個進展緩慢的時期。但幾天的強制休假幫助團隊重新設置并以不同的方式思考問題，幾個月后，他們取得了這一突破。

與任何先進技術一樣，量子計算也有自己的問題。在思考這些問題時，我們遵循了一系列人工智能原則，這些原則是我們開發的，以幫助指導負責任的先進技術創新。例如，多年來，安全社區在谷歌的支持下，一直致力于“后量子密碼學”（post-quantum cryptography）。我們樂觀地認為，在未來的加密問題上，我們走在了前面。

我們將繼續公布研究成果，并使用我們的開源框架Cirq幫助更廣泛的社區開發量子加密算法。我們感謝美國國家科學基金會（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驗室（Oak Ridge National Laboratory）的密切合作。與互聯網和機器學習一樣，政府對基礎研究的支持對于長期的科技成就仍至關重要。

量子計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本身的屬性，這可以追溯到20世紀50年代的“巨型”計算機，到今天我們利用人工智能來服務人們的日常生活。

量子計算將是對我們在傳統計算機上所做的工作的極大補充。在許多方面，量子將給計算帶來完整的循環，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，而是在所有狀態中：美麗，復雜，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：《使用可編程超導處理器的量子霸權》