谷歌发布72位量子处理器“狐尾松” 称将实现“量子霸权”

近日，在美国洛杉矶举行的美国物理学会年会上，谷歌公司发布72量子比特的量子处理器“狐尾松”(Bristlecone)，称这一设备未来可实现“量子霸权”（quantum supremacy）。

量子计算机的基本单位是量子比特，与传统比特取值0或1不同，量子比特可以是0,1或两者的叠加，这要归功于量子的叠加性。通常来说，能使用的量子比特越多，计算能力就越强。业界认为，如果量子计算机能以足够低的误差有效操纵50个左右量子比特，计算能力就能超越传统计算机，即实现量子霸权。

所谓“量子霸权”，即它可以在一个明确的计算机科学相关的问题上具有超越经典的超级计算机的表现。从计算复杂度理论的角度来看，这意味着超过目前最佳经典算法的超多项式加速。

谷歌72量子比特的“狐尾松”量子芯片 （图片来源：谷歌量子 AI 实验室）

“狐尾松”这一名字的由来是源于芯片中的量子比特排列成类似松果鳞片的图案。据美国《科学》杂志报道，“狐尾松”是谷歌此前9量子比特处理器的扩展版本，采用了相同方案进行耦合、控制和读出，但被扩展为72个量子比特的阵列。

3月5日在美国物理学会的会议上来自谷歌的超导量子计算机研究报告摘要  （图片来源：美国物理学会）

此前，经谷歌研究人员计算后认为，量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特，一个超过40的电路深度，一个低于0.5%的2个比特误差进行完美的证明。为何这次这次“狐尾松”一下子跳到了“72”量子比特？

据《麻省理工科技评论》分析，谷歌选取72位量子位这一数值不仅能展现未来的量子霸权，还能利用面编码技术进行一阶和二阶纠错研究，用作研究量子比特可扩展性和错误率的试验装置，开发量子模拟、优化和机器学习等应用程序。

那么，这个72量子比特处理器实现“量子霸权”的可能有多大？

谷歌联合美国航天局等机构成立的“量子人工智能实验室”5日表示，谷歌对“狐尾松”实现量子霸权持“谨慎乐观”态度。

“狐尾松”要实现这一里程碑，面临的最大挑战是将系统错误率降到9量子比特处理器水平，即1％的读数错误率、0.1％的单量子比特门错误率和0.6％的双量子比特门错误率。降低错误率需要调试整套系统，包括软件、电子控制元件和处理器本身。业界认为，这一过程可能需要数月时间。

误差率和量子比特数关系图  (图片来源：《麻省理工科技评论》)

上面的 2D 概念图显示了误差率和量子比特数之间的关系。谷歌量子人工智能实验室的预期研究方向为图中红色曲线，谷歌希望在不断纠错中，让量子计算机实现相关应用。

谷歌表示，当我们可以实现几十乃至几百万量子比特0.1-1%的错误率时，量子计算机将开始真正高效解决实际问题。这可能需要十年或者更久的时间。

但是，在制造出大规模量子比特量子计算机之前，我们可能会先实现一些小型的、甚至是商用的量子计算机，或者说量子计算商业应用。

科学家玛丽莎·朱斯蒂纳在圣芭芭拉谷歌量子AI实验室安装“狐尾松”芯片（图源：谷歌量子AI实验室）

2017年，谷歌量子团队在《自然》杂志刊文称，他们坚信即使还缺乏能够完整纠错的理论，但5年之内仍会有与量子计算有关的小型设备问世，而这也将给投资者带来短期的回报。

“早期的量子计算设备将在量子模拟，量子辅助优化和量子采样领域有商业运用。更快的计算速度对从人工智能到金融和医疗等领域具有明显的商业优势。”

目前，全球范围内对量子霸权的竞逐已进入白热化阶段。美国国际商用机器公司（IBM）去年11月推出了全球首款50量子比特的量子计算机原型机，并于上周公开展示了这一原型机和内部结构图。英特尔、微软等科技巨头都在这个领域大量投入。中国研究人员也正在光与冷原子系统、超导系统等多种量子计算技术路线上同时发展。