這是量子計算領域的里程碑事件：谷歌在被稱為「量子優越性」方向上的重大突破研究，登上了《自然》雜志 150 周年版的封面。

它或許標志著量子計算正在走向實用化：谷歌已經利用一臺 54 量子比特的量子計算機實現了傳統架構計算機無法完成的任務。在世界第一超算需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機只用了 3 分 20 秒。

今年 9 月，一篇名為《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》的論文自 NASA 網站上傳出，其中研究人員提出了這一主張，雖然論文很快就被刪除，但這一消息引起了人們的廣泛關注。

「量子優越性」（Quantum supremacy）的實現令人激動（谷歌官方建議此翻譯，而非量子霸權），不過也引發了人們對于研究真實性的質疑。所幸同行評審并沒有讓我們等待很久，在剛剛出版的《自然》雜志 150 周年特刊封面上，我們看到了這篇論文。

論文的發表也意味著谷歌的研究得到了業內人士的認可。谷歌 CEO 桑達爾·皮查伊第一時間發文表示祝賀：「隨著我們擴展了計算的可能性，我們也解鎖了全新的計算……量子計算容易出錯，但我們的實驗表明：量子計算機也可以在計算中減少錯誤，并擴展達到超越經典計算機的程度。」

「對于科學技術領域的研究者來說，這是人們期待已久的一句『Hello World』——迄今為止，量子計算實用化最有意義的一個里程碑，」皮查伊表示。「我們可以把它比作為人類打造出了第一個脫離地球引力束縛，觸碰太空邊緣的火箭。」

谷歌實現量子優越性登上Nature封面

這一成果，源自科學家們不懈的努力。谷歌在量子計算方向上的研究已經過去了 13 年。2006 年，谷歌科學家 Hartmut Neven 開始探索有關量子計算加速機器學習的方法。這項工作推動了 Google AI Quantum 團隊的成立。2014 年，John Martinis 和他在加利福尼亞大學圣巴巴拉分校（UCSB）的團隊加入了谷歌的工作，開始構建量子計算機。兩年后，Sergio Boixo 等人的論文發表，谷歌開始將工作重點放在實現量子計算優越性任務上。

如今，該團隊已經構建起世界上第一個超越傳統架構超級計算機能力的量子系統，可以進行特定任務的計算。

谷歌 CEO 桑達爾·皮查伊和圣芭芭拉實驗室中谷歌的量子計算機。

谷歌也在昨天發布的博客中介紹了這項重要研究：

近 30 年來，物理學家們一直在討論量子計算的威力，但一直有人在問：量子計算有用嗎？值得投資嗎？對于如此大規模的工程，制定決定性的短期目標是良好的工程實踐，可以弄清楚設計方向是否正確。因此，谷歌設計了一個實驗，作為回答這些問題的一個重要里程碑。這個實驗被稱為「量子優越性」（quantum supermacy）實驗，指引谷歌的團隊克服了量子系統很多固有的技術難題，使得量子計算機可編程并且功能強大。為了測試整個系統的性能表現，谷歌的研究者選擇了一個敏感的計算基準，即使是計算機的單個組成部分不夠好，整個系統也無法在該基準上取得成功。

近日，谷歌在《Nature》期刊上發表了這個實驗的結果。他們開發了一個 54 量子比特的計算機——「Sycamore」，其中包含快速、高保真度的量子邏輯門，以執行基準測試。Sycamore 在 200 秒內完成了目標計算。根據實驗得出的測量結果，谷歌斷定，世界上最快的超級計算機需要 1 萬年才能輸出類似的結果。

左：Sycamore 量子計算機懸在低溫恒溫器中的藝術加工圖；右：Sycamore 的照片。

實驗

要了解這個基準的工作原理，可以想象成幾個熱衷于量子計算的新手去訪問谷歌的實驗室，想在實驗室的新量子計算機上運行一個量子算法。他們可以根據基本門操作詞典來寫算法。由于每個門都有誤差率，這些新手就想把自己限制在一個適度的序列，總共有大約 1000 個門。假設這些編程者沒有任何經驗，他們就會創建一個看起來似乎是隨機的門序列，你可以把它想象成量子計算機的「hello world」程序。由于隨機電路中沒有經典算法可以利用的結構，模擬這些量子電路通常需要花費大量的經典計算機算力。

隨機量子電路在量子計算機上的每次運行都會產生一個比特串，如 0000101。由于量子干擾的存在，當多次重復實驗時，某些比特串比其他一些更容易出現。然而，隨著量子比特數量（寬度）和門循環數量（深度）的增加，在經典計算機上為隨機量子電路找到最可能的比特串的難度會以指數的形式增加。

展示谷歌量子優越性的流程圖。

在實驗中，谷歌首先運行了 12 到 53 個量子比特的隨機簡化電路，以保持電路深度恒定。然后，他們利用經典模擬來檢驗量子計算機的性能，并與理論模型進行對比。在證實系統能夠正常工作后，谷歌運行了電路深度不斷增加的 53 量子比特的隨機硬件電路，直到達到經典模擬不可行的點。

根據薛定諤-費曼（Schr dinger-Feynman）算法的量子比特數和周期數來評估量子優越性電路的驗證時間。紅色星星表示實驗電路的估計驗證時間。

此結果是對擴展后的邱奇-圖靈論題（the Church-Turing thesis）的第一個實驗性挑戰。該論題指出，經典計算機可以有效地實現任何「合理的」計算模型。

谷歌表示，「如今有了第一個無法在經典計算機上進行合理模擬的量子計算，我們開辟了一個新的計算領域。」

谷歌 Sycamore 量子處理器

量子優越性實驗是在一個名為 Sycamore 的 54 量子比特的完全可編程處理器上運行的。該處理器包含一個二維網格，網格中的每個量子比特與其他四個相連。所以，芯片具有足夠的連通性，量子比特狀態可以在整個處理器中快速地進行交互，使得完整狀態無法使用經典計算機進行有效地模擬。

谷歌 Sycamore 量子處理器。

量子優越性實驗的成功歸功于谷歌改進了具有增強并行性的雙量子比特門，即使同時操作多個門，也能可靠地實現記錄性能。谷歌使用一種新型的控制旋鈕來實現這一性能，該旋鈕能夠關閉相鄰量子比特之間的交互。此舉大大減少了這種多連通量子比特系統中的誤差。此外，通過優化芯片設計來降低串擾，以及開發避免量子比特缺陷的新控制校準，谷歌進一步提升了性能。

谷歌在二維正方形網格中設計了電路，其中每個量子比特與其他四個相連。該架構還能向前兼容，從而實現量子誤差的修正。54 量子比特的 Sycamore 處理器則是谷歌一系列功能更強大量子處理器的先驅。

熱點圖展示了所有量子比特運算模擬單比特和雙比特的 Pauli error 值。排列圖表示量子比特在處理器上的分布。

測試量子物理

為了確保量子計算機在未來的實用性，谷歌還需要驗證沒有來自量子力學的基礎障礙。通過實驗檢驗理論極限，是物理學的悠久歷史，因為人們以非常不同的物理參數為特征探索新狀態時，常常會發現新的現象。

谷歌先前的實驗表明，量子力學可擴展的狀態空間預期可達到 1000 倍。而在這項研究中，谷歌將該測試大小擴展到 10 萬億，發現一切仍然按預期可行。谷歌還通過測量兩個量子位門的誤差來驗證基礎的量子理論，發現它可以準確預測整個量子優越性電路的基準測試結果。

這表明沒有預期外物理現象，可以降低谷歌量子計算機的性能。因此，谷歌表示他們的實驗證實，根據理論更復雜的量子計算機也是可行的，谷歌對繼續擴大規模也充滿信心。

應用

Sycamore 是完全可編程的，可以運行通用量子算法的量子計算機。自從去年春季獲得量子優越性成果以來，谷歌團隊一直在致力于短期可做到的應用，包括量子物理學模擬和量子化學，以及生成機器學習其其他領域的新應用等。

下一步計劃

該團隊接下來的兩個主要目標都是希望找到量子計算的有價值應用。首先在未來，谷歌將向其合作者、學術研究人員以及對開發算法和搜索當前 NISQ 處理器應用感興趣的公司提供自己具有優越性的處理器。具有創造力的研究人員是最為重要的創新資源，所以既然已經擁有新的計算資源，谷歌則希望更多的研究人員能夠進入該領域，并嘗試進行一些有用的發明。

其次，谷歌對其團隊和技術進行投資，從而能夠盡快創建容錯的量子計算機。此類設備具有很多有價值的應用場景。例如，我們可以設想量子計算機幫助設計新材料——用于汽車和飛機的輕量級電池、能夠更有效地生產化肥的新催化劑（當前這一過程產生了全球 2% 以上的碳排放量）以及更有效的藥物。但需要指出的是，實現必要的計算能力依然需要多年艱苦的工程和科研工作。但現在前進的道路非常明確，谷歌渴望在量子領域取得更多進展。

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構建量子計算機是人類了解世界的重要方向——盡管宇宙從根本上來說是構建于量子體系之上的，但長久以來人們對于量子理論知之甚少。實際上，量子力學的很多原理與人類對于自然界表面現象的觀察完全矛盾。當然，量子力學的性質也有著巨大的計算潛力。

「盡管我們對未來的光明道路感到興奮，但也對目前為止經歷的旅程感到謙卑，」桑達爾·皮查伊表示。「我們需要謹記諾貝爾獎獲得者理查德·費曼的名言『如果你自認為了解量子力學，你就并不了解量子力學』。」

總結

以上是生活随笔為你收集整理的谷歌量子计算登上Nature封面，首次实现量子优越性，里程碑式突破的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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