谷歌这个“无所不能先生”近日宣布，在功能齐全的实用量子计算机研发上取得了重大进步，实现了量子霸权（优势），即超越目前世界排名第一的超级计算机。

谷歌的量子计算机叫Sycamore，在一个复杂的基准测试中，仅用6秒就完成了世界上最快的超级计算机Frontier需要花47年时间才能完成的计算任务。这是一个令人震惊的进步，显示了量子计算技术的无限可能。那么，谷歌是如何做到这一点的呢？

量子比特

首先我们需要简单了解一下量子比特。量子比特是量子计算机中的信息单元，它们可以同时存在于0和1的状态，从而增加了计算能力。你可以把它们想象成一个硬币，但与众不同的是，它可以同时是正面又是反面，而不只是其中之一。

这虽然很难理解，但这正是量子领域的魔力，这种现象叫做量子叠加，正因为这种“魔力”般的特性存在，使量子计算机可以同时处理超大规模的信息。如果把经典计算机比作算数老师，一次只能处理一个数字，量子计算机则像大魔法师，能同时处理成千上万个数字。

但是，要实现这种“魔力”，还需要一些其他的条件。比如，要保证量子比特之间不受外界干扰，要能够精确地控制和操纵量子比特，要能够有效地读取和输出量子比特的状态等，这些都是非常困难和复杂的技术难题。

目前，有多种物理系统可以用来实现量子比特，如光子、原子、电子、超导体等，不同的物理系统有各自的优缺点，如稳定性、可控性、可扩展性等。目前还没有一种物理系统，能够完美地实现量子计算机的要求，因此研究人员还在不断地探索和改进各种方案。

谷歌量子计算机

谷歌使用了超导电路来实现量子比特，并可以通过精确控制微波脉冲来操纵这些量子比特。超导电路是一种在接近绝对零度的极低温条件下具有零电阻的电路，在这种状态下，电流可以无损地流动，并形成稳定的磁场，利用超导电路中电荷、相位和磁通量三种方式来形成量子比特。

谷歌的这个量子计算机有70个超导量子比特。在一个复杂的基准测试中,它成功完成了需要世界第一超级计算机花47年时间才能完成的计算任务。这个基准测试叫做随机电路采样（random circuit sampling），它是从随机生成的量子过程中提取数据的方法。这个方法可以减少外部噪声对计算的干扰，也可以检验量子计算机的性能和正确性。

谷歌的量子计算机在这个测试中表现出了惊人的速度和精度，它只用了6秒就完成了一次采样，而世界上最快的超级计算机Frontier则需要47年才能完成同样的任务，这说明了量子计算机巨大的加速潜力。

当然，这并不意味着谷歌的量子计算机就可以解决任何问题了。事实上，这个测试只是一个特定的、不可编程的、没有实际应用价值的任务。而要实现一个通用可编程的量子计算机，仍有诸多技术难题需攻克，如如何减少量子比特的错误率，如何制造更多的量子比特，如何实现量子错误纠正等。

但这也是一个重要的里程碑，它证明了超导量子计算机的可行性和优势。

量子计算机种类

目前正在研发的量子计算机包括超导量子计算机、离子阱量子计算机、拓扑量子计算机、硅基量子计算机、光子量子计算机、分子量子计算机等，从当前技术发展状况来看，最有希望实现实用化和商业化的是超导量子计算机和离子阱量子计算机。

超导量子计算机由于具有长相干时间、高门控精度、可扩展性强等优点，目前看来是未来最有前途的主流量子计算机方案。谷歌、IBM等公司正在积极推进的，就是这种量子计算机。随着制冷技术的进步以及量子误差纠正代码的开发，超导量子计算机有望在不久的未来实现量子优势——虽然谷歌已宣布实现了量子霸权，但业界仍然存在一些争议。

离子阱量子计算机也展现出强大的量子控制能力和计算精度，但它扩展到大规模量子计算机的难度较大。一种可能的发展方向是两种技术结合，即构建含光学互联互通的离子阱量子计算机网络。

拓扑量子计算机、硅基量子计算机等仍面临准确性或可扩展性方面的困难，光子量子计算机用于特定领域，如量子通信是一个有前景的选择。

领先的量子计算机研发机构

根据公开的研究论文和进展报道，在通用量子计算机研究中进展最快的公司和国家包括：

1、谷歌

谷歌是量子计算领域的先驱，它的超导量子处理器采用了量子纠错技术，量子位数量也在稳步增加，被视为量子计算领域的领先者。

2、IBM

IBM的超导量子计算系统拥有高量子量子位连接性和低误差率，公布的路线图规划到2023年实现1000+量子位。

3、普林斯顿大学

建造了高性能的离子阱量子计算机原型并实现了量子优势。

4、中国

中国加大量子计算研发投入，2020年实现“九章”量子计算机，确立了量子计算领域的大国地位。

5、欧盟

欧盟启动价值10亿欧元的旗舰量子技术计划，目标是在2029实现通用量子计算机。

6、加拿大

加拿大政府和学术机构投资力度大，在超导量子计算等方面技术领先。

7、澳大利亚

澳大利亚成立了各方参与的量子计算中心，计划在硅量子计算等方面取得突破。

另外微软、亚马逊、英特尔、东芝、霍尼韦尔等公司也在量子计算领域非常活跃。

在不久的将来，量子计算机可能就会给我们带来无限的可能，比如模拟复杂的物理和化学过程，设计新型的药物和材料，加强信息安全和隐私保护等，并且将给我们带来巨大的挑战和变革，如改变传统的计算模式，推动新兴产业的发展，影响全球经济和政治格局等。

这项研究近期发表在arXiv上：
https://arxiv.org/abs/2304.11119

本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。