量子運算大突破！Google 公佈 72 位量子位元處理器，吹響量子霸權號角

Google 量子 AI 實驗室今天發佈了新的 72 位量子位元的量子處理器 Bristlecone。雖然目前還沒有看到具體的實驗結果，但這塊晶片的未來有很大潛力，很有可能達成量子計算領域內的重要里程碑。Google 也在研究部落格發表了一篇 介紹文章 。

Google 量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）的目標是建造可以用於解決真實世界問題的量子電腦，他們的研究策略是在可以和大規模、通用化、可糾錯的量子電腦向前相容的系統上探索短期解決方案。為了讓量子處理器運行經典模擬演算法之外的演算法，它當然需要更大的量子位元（qubit）數目，但它還需要更多。最關鍵的是，這個處理器必須在讀取以及單、雙量子位元匣之類邏輯操作中保持很低的錯誤率。

一年一度的美國物理學會（American Physical Society）會議正在洛杉磯舉行， Google 量子 AI 實驗室今天就在會議上公佈了他們新的量子處理器 Bristlecone。這是一個基於匣電路的超導系統，它的設計目標就是為 Google 的量子技術提供系統錯誤率和拓展性的研究測試平台，當然也可以探索量子模擬、量子優化以及量子機器學習方面的應用。

▲Bristlecone 是 Google 的最新量子處理器（左圖）。右側是這個晶片的結構示意圖，每一個「X」代表一個量子位元，相鄰最近的量子位元之間是相連的，photo credit: Google Research Blog

 Google 之前設計的 9 量子位元的線性矩陣已經展現出了低讀取錯誤率（1%）、低單量子位元匣錯誤率（0.1%）、以及最重要的低雙量子位元匣錯誤率（0.6%），這也是 Google 目前所能達到的最好結果。新的 Bristlecone 的指導設計思路就是延續之前技術中的物理特性，在耦合、控制、讀取中都使用了同樣的方法，但把矩陣規模大幅擴大到了 72 量子位元。 Google 之所以選擇把新的晶片設計到這個規模，是希望未來得以展示「量子霸權」（指對於某些問題, 量子演算法的效率遠遠優於經典演算法）、可以透過表層程式碼做一階和二階的錯誤糾正，以及幫助為真正的通用化硬體設計量子演算法。

▲展示錯誤率和量子位元數目之間關係的二維概念示意圖。圖中的紅線表示 Google 量子 AI 實驗室的研究方向，他們希望沿著這個方向、以構建出帶有錯誤糾正能力的量子電腦為目標，先取得一些短期應用成果，photo credit: Google Research Blog

在探究具體的應用之前，量化認識量子處理器的計算能力也是很重要的一件事。已經有別的理論物理團隊為這項任務開發了 benchmark 工具。對於錯誤率測試，可以向裝置輸入一個隨機的量子電流作為單個系統誤差，然後檢查樣本的輸出擾動並把它和經典方法模擬的結果做對比。

如果一個量子處理器運行時的錯誤率最夠低，它運行某些定義好的電腦科學問題的速度就可以遠超過經典方法的超級電腦，這也就是我們所說的「量子霸權」。測試中使用的隨機電流在量子位元數目和計算長度（深度）兩個方面都要夠大。雖然目前還沒有人達到錯誤率 0% 的目標，但是根據 Google 量子 AI 實驗室計算，只需要量子位元數目達到 49 位、電路深度超過 40、雙量子位元匣錯誤率低於 0.5% 就已經可以展現出明顯的「量子霸權」。

Google 相信，一次成功的量子處理器超越經典超級電腦的實驗將成為這個領域的分水嶺，而這也將是 Google 量子 AI 團隊追尋的重點目標。

▲位於 Santa Barbara 的 Google 量子 AI 實驗室中，研究科學家 Marissa Giustina 正在安裝一塊 Bristlecone 晶片，photo credit: Google Research Blog

Google 量子 AI 團隊之前已經在 9 位量子位元的裝置上取得了目前最佳的錯誤率，他們也正在努力嘗試在 Bristlecone 的所有 72 個量子位元上都取得類似的表現。一旦 Bristlecone 獲得全面成功，這也將為構建更大規模的量子電腦提供極具說服力的原理論證。要讓 Bristlecone 這樣的裝置以低系統錯誤率運行，也需要軟體設計、電子控制和處理器本身等一系列技術的協調工作，只有經過非常仔細的系統工程和多次版本更新才有可能達成。

對於用 Bristlecone 達成「量子霸權」， Google 量子 AI 團隊保持謹慎樂觀的態度，同時也覺得學習建造和運行這種性能等級的裝置是個令人興奮的挑戰。 Google 量子 AI 團隊也非常期待未來得以展示自己的實驗成果，以及和別的團隊共同協作嘗試更多實驗。