量子計算一直被認為是下一代工業革命的引擎，各個國家、科技公司都在量子計算及相關軟件上加足了馬力進行研發。前段時間，谷歌的量子AI團隊也對自己的2021進行了總結。

研究人員表示，盡管量子計算仍然是一個有挑戰性的課題，但他們在過去的一年中總共發表了18篇論文，取得了豐碩的成果，尤其是在構建完全糾錯的量子計算機（fully error-corrected quantum computer）方面取得了重大進展。

并且Quantum AI團隊已經開始著手研發下一個硬件里程碑：糾錯量子比特原型機（error-corrected quantum bit prototype）。

硬件革新

想要進行量子計算，一臺量子計算機是必不可少的，所以硬件的開發也是重中之重。

今年5月，谷歌官宣了位于圣芭芭拉的量子AI園區（Quantum AI Campus），里面有數據中心、芯片制造設施、研究實驗室和龐大的辦公區域，全都是為了打造和運行量子計算機服務的。

當時Google的量子人工智能團隊的首席工程師Erik Lucero就給自己設定了一個小目標：未來十年內構建一臺糾錯量子計算機。

他們也希望利用在研發硬件過程中獲取的知識和經驗，來開發具有變革性（transformational）的量子計算機應用程序。

谷歌提出在2029年交付量子計算機，主要因為谷歌在量子硬件開發上還真有點東西，大概可以分為下面三點：

1.谷歌曾經證明了量子計算機在特定任務中的性能優于當今的經典超級計算機。

2019年10月23日，谷歌聲稱在他們的量子芯片Sycamore上大約200秒時間運行的任務，當時地表最強的超級計算機Summit需10000年才能完成對應的任務。該成果當時發表在了頂級刊物《自然》雜志上。一時間全球嘩然，業界普遍認為這是量子計算發展的開辟式里程碑，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（Quantum supremacy）一詞在卻飽受爭議，因為谷歌聲稱的一萬年實際上也有水分，后來研究人員將該任務的運行時間逐漸降低到5天，并沒有想象中的碾壓優勢，所以目前業界更多采用量子優越性來表述。

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

量子計算機和經典計算機一樣，很容易出現由底層物理系統‘噪聲’引起的錯誤。如何處理這些錯誤是一項艱巨的挑戰。普通計算機可以通過簡單地復制比特，并使用這些副本來驗證正確狀態進而防止錯誤。但量子計算機無法做到這一點，因為量子力學禁止將一個量子比特的未知狀態復制給其他量子比特。

谷歌物理學家Julian Kelly研究了量子處理器‘懸鈴木’的量子糾錯能力，其中懸鈴木包含一個54超導量子比特的二維陣列。

研究人員運行了兩種量子糾錯碼，一種是最多由21個量子比特組成的一維鏈重復碼，用來測試錯誤抑制能力；另一種是由7個量子比特組成的二維表面碼，作為與更大碼的設置相容性的原理驗證實驗。

研究表明，將重復碼基于的量子比特數量從5個提高到21個，對邏輯錯誤的抑制實現了最多100倍的指數級增長。這種錯誤抑制能力在50次糾錯實驗中均表現穩定。

但Kelly表示，盡管如此，該團隊只是在完全糾正錯誤的途中。他們未能同時解決兩種影響量子比特的錯誤：比特翻轉和相位翻轉。

目前谷歌的目標是通過在多個物理量子位上冗余編碼量子信息來實現量子糾錯的原語，證明這種冗余會導致使用單個物理量子位的改進，這也是目前谷歌努力的方向。

3.谷歌有能力構建一個任意長時間都沒有錯誤的邏輯量子位（logical qubit）。

邏輯量子位跨多個物理量子位對信息進行冗余編碼，并且能夠減少噪聲對整體量子計算的影響。將幾千個邏輯量子位放在一起將使谷歌能夠實現量子計算機在各種應用中的全部潛力。

糾錯量子比特進展

目前來說，各式各樣的量子計算機與未來完全糾錯的量子計算機之間的差距仍然是巨大的。

2021年，谷歌一直致力于構建一個原型邏輯量子位（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，為量子計算機的發展向前推進一大步。

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

這些改進最后產生了兩個關鍵性的成果。

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

其次，谷歌實現了中間電路測量（mid-circuit measurements），使谷歌能夠跟蹤量子電路內的計算。

在谷歌最近使用重復代碼（repetition codes）和相位翻轉錯誤進行指數抑制（ exponential suppression of bit and phase flip errors）的演示中，通過同時使用高保真復位（high-fidelity resets）和中間電路測量，在代碼量從 5 量子位增長到 21 量子位的情況下，錯誤降低了100 倍。

重復代碼是一種常用的糾錯工具，使得量子計算機能夠在資源（更多量子比特）和性能（更低錯誤）之間進行權衡，這也是谷歌研發未來硬件的核心指導思想。

2021，谷歌還研究了隨著一維代碼（1-dimensional code）包含的量子位數量的增加，錯誤是如何減少的。谷歌目前正在進行實驗，將這些結果擴展到二維表面代碼（2-dimensional Surface codes），可以更加全面地糾正錯誤。

量子計算的應用

除了構建量子硬件，谷歌的團隊還在現實世界中尋找量子計算具有明顯優勢的應用場景。

谷歌與在學術界和工業界的從業者一起探索量子計算機可以提供顯著計算加速的領域，預期實現的效果也很有現實意義：糾錯量子計算機應該至少取得二次加速（quadratic speedups）才算有意義的改進。

谷歌與加州理工學院的一項合作研究的結果表明，在某些條件下，量子計算機可以通過比傳統要求少得多的實驗來了解物理系統（physical systems）。這種新提出的方法使用 40 個量子位和 1300 個量子操作進行了實驗驗證，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勢，同時為量子機器學習和量子傳感方面的工作鋪平了道。

谷歌與哥倫比亞大學的研究人員合作，將最強大的化學模擬技術量子蒙特卡羅與量子計算相結合，成功超越了以前的方法，目前已經成為基態多電子計算（ground state many-electron calculations）的一種有前景的量子方法，對于創造新材料和理解材料的化學性質至關重要。

即使在具有多達 16 個量子位的計算設備存在噪聲的情況下，谷歌也能夠在不犧牲測量精度的情況下將先前計算的大小增加一倍。

谷歌還繼續研究了如何使用量子計算機來模擬量子物理現象。去年11月30日，谷歌在《自然》雜志上發表了一篇文章，表示他們已經通過Sycamore量子計算硬件創建了時間晶體（time crystal）。

這對理論物理學家來說是一個偉大的時刻，時間晶體存在的可能性，他們已經思考了近一個世紀。

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量子計算機上通過實驗測量無序相關性來探索量子混沌動力學（measuring out-of-time-ordered correlations）。

與慕尼黑技術大學的合作者使用淺量子電路（shallow quantum circuits）創建其本征態（eigenstates），通過實驗測量復曲面碼哈密頓量基態的糾纏熵（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研究機構的合作者共同完成的，其中一些也啟發了谷歌的下一步研究方向。

2022年，谷歌Quantum AI將繼續和其他合作者共同探索和實現有意義的量子應用、量子化學和多體量子物理學。