今年3月，谷歌重磅宣布推出一款 72 個量子比特的最新量子計算器 Bristlecone，實現了 1% 的低錯誤率，與 9 個量子比特的量子計算機持平。參與這一工作的谷歌工程師表示非常樂觀，認為如果一切運作良好，量子霸權可以在幾個月內實現。

谷歌的目標是構建可用于解決現實世界問題的量子計算機，其策略是使用與通用糾錯量子計算機兼容的系統來探索近期的應用。今天，谷歌博客發表文章，介紹了近期在 Science 和 NaturePhysics 上發表的兩個量子計算的研究，詳細闡述谷歌的“量子霸權”藍圖。

實際演示量子霸權的理論基礎：量子計算機的“hello world”程序

量子計算融合了過去半個世紀的兩次最大的技術革命——信息技術和量子力學。如果我們使用量子力學的規則，而不是二進制邏輯來計算，一些棘手的計算任務就能變得可行。在追求通用量子計算機的過程中，一個重要目標是確定對于今天的經典計算機來說過于困難的最小計算任務。這個交叉點被稱為“量子霸權”（quantum supremacy，又稱“量子優勢”）的邊界，是通向更強大、更有用的計算機的關鍵一步。

最近，谷歌在 Nature Physics 上發表論文“Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices”，提出了在短期設備中實際演示量子霸權的理論基礎。這篇論文提出了從隨機量子電路的輸出中采樣位元串（bit-strings）的任務，這可以被認為是量子計算機的“hello world”程序。

爭論的結果是，隨機混沌系統（聯想蝴蝶效應）的輸出會隨著運行時間越長，越難以預測。如果制造出一個隨機的、混沌的量子比特系統，并檢驗一個經典系統需要花費多長時間來模擬它，那么就可以很好地衡量一臺量子計算機何時可以超越經典計算機。可以說，這是證明經典計算機和量子計算機的計算能力之間呈指數分離的最強有力的理論建議。

為了確定量子霸權的邊界在哪里，對隨機量子電路進行采樣已經迅速成為一個令人興奮的研究領域。一方面，改進模擬量子電路的經典算法旨在增加建立量子優勢所需的量子電路的尺寸。這迫使具有足夠多的量子位和足夠低的錯誤率的實驗量子設備實現足夠深的電路（即電路中的柵極層數足夠多），以實現優勢（supremacy）。

另一方面，我們現在更好地理解了用于構建隨機量子電路的量子門（quantum gates）的具體選擇會如何影響模擬的成本，從而導致近期量子霸權的基準（benchmarks）得到改善，在某些情況下比原來的方案模擬的成本更昂貴。

benchmark可在這里下載：https://github.com/sboixo/GRCS

從隨機量子電路進行采樣是量子計算機的一個很好的校準基準，我們稱之為交叉熵基準。一個成功的隨機電路量子霸權實驗將證明大規模容錯量子計算機的基本構建塊。此外，量子物理學還沒有對如此高度復雜的量子態進行過測試。

圖：量子電路計算的時空體積。量子模擬的計算成本隨著量子電路的體積而增加，并且通常隨著量子位數和電路深度而呈指數增長。對于量子比特的不對稱網格，計算時空體積隨深度的增長會比對稱網格慢，并且可能導致電路更容易模擬。

用超導量子比特演示量子霸權的藍圖

在另一篇發表于Science的論文《用超導量子比特演示量子霸權的藍圖》（“A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits”）中，谷歌闡述了量子霸權的藍圖，并首次實驗證明了一個原理驗證的版本。

在論文中，我們討論了量子霸權的兩個關鍵要素：指數復雜性和精確計算。我們首先在運行設備的一部分運行算法，范圍從5到9個量子位。我們發現經典模擬成本隨著量子比特數量增加而呈指數增長。這些結果旨在為這些設備的指數能力提供明確的例證。

設備：9比特陣列。這是設備的光學顯微照片。灰色區域是鋁，黑色區域是鋁被蝕刻去定義特征的地方。其他顏色用以區分讀出電路，量子位，耦合器和控制線。

接下來，我們使用交叉熵基準比較我們的結果與普通計算機的結果，并顯示我們的計算結果是非常準確的。事實上，錯誤率足夠低，可以用更大的量子處理器實現量子霸權。

除了實現量子霸權外，量子平臺應該提供明確的應用。在我們的論文中，我們將我們的算法應用于量子統計力學中的計算問題，這些問題使用復雜的多量子比特門（multi-qubit gates），相對于為數字量子處理器設計的具有表面代碼糾錯的兩量子比特門（two-qubit gates），它是相反的。我們證明了，們的設備可以用來研究材料的基本屬性，例如金屬和絕緣體之間的細微差異。通過將這些結果擴展到約50個量子比特的下一代設備，我們希望能夠回答超出任何其他計算平臺能力的科學問題。

圖：Charles Neill和Pedram Roushan開發的兩個gmon的超導量子比特及其可調耦合器

這兩篇論文為近期量子霸權提出了一個現實的建議，并首次證明了一個原理驗證版本。谷歌表示，將繼續降低錯誤率并增加量子處理器中的量子比特數，以達到量子霸權的邊界，并為短期實用的應用開發量子算法。