谷歌最近宣布推出一款72個量子比特的最新量子計算機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。谷歌認為使用Bristlecone可以實現量子霸權（quantum supremacy）。

研究科學家Marissa Giustina在圣芭芭拉谷歌量子AI實驗室安裝Bristlecone芯片。來源：Google Quantum AI Lab

谷歌量子AI實驗室研究科學家Julian Kelly在Google Research官博發文，介紹了經過同行評議的，谷歌的最新72位量子比特量子計算機。

“我們剛開始測試，”Google的物理學家John Martinis說：“從目前我們所知道的情況來看，我們非常樂觀。”Martinis說，如果一切運作良好，量子霸權可能會在幾個月內實現。

Kelly介紹說，谷歌量子AI實驗室（Google Quantum AI Lab）的目標是構建可用于解決現實世界問題的量子計算機。谷歌的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。為了使量子處理器能夠在經典模擬的范圍之外運行算法，它不僅需要大規模的量子比特，處理器在讀出（readout）和邏輯運算上的低錯誤率保證也十分重要，比如單比特門和兩比特門。

在洛杉磯舉行的美國物理學會年會上，谷歌展示了一個新的量子處理器Bristlecone。這個基于門的超導系統目的在于研究量子比特技術的系統誤差率和可擴展性，以及在量子模擬、優化和機器學習中的應用。

Julian Kelly介紹，這個最新設備遵循谷歌之前提出的9個量子比特量子計算機的線性陣列技術所對應的物理學原理，而該技術顯示的最佳結果如下：低的讀數錯誤率（1%）、單量子比特門（0.1%）以及最重要的雙量子比特門（0.6%）。該設備使用與9個量子比特的相同的模式進行耦合、控制和讀出，但將其擴展為一個包含72個量子比特的正方形數組。

實驗中，研究人員選擇了這種尺寸的設備來展示未來的量子霸權，使用面編碼研究一階和二階糾錯，并促進量子算法在實際硬件上的發展。

左邊是谷歌最新的72量子比特量子處理器Bristlecone。右邊是該設備的圖示：每個“X”代表一個量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連。來源：GoogleQuantum AI Lab

在研究特定的應用程序之前，對量子處理器的量化能力很重要。谷歌的理論團隊已經開發出了一種基準測試工具來完成這項任務，通過在設備上應用隨機的量子電路來對系統的任務進行隨機分配，并通過一個經典的模擬方法來檢查抽樣輸出的分布情況。對于一個操作誤差足夠小的量子處理器，它可以在一個明確的計算機科學相關的問題上具有超越經典的超級計算機的表現，也即 “量子霸權”。這些隨機電路在量子比特和計算長度以及深度上都必須很大。

雖然目前還沒有人可以實現這個目標，但是谷歌研究人員計算后認為，量子霸權的目標可以通過使用49個量子比特，一個超過40的電路深度，一個低于0.5%的2個比特誤差進行完美的證明。他們相信，這個量子處理器優于超級計算機的實驗證明將會是這個領域的分水嶺，同時也是未來的主要目標之一。

錯誤率和量子比特位數之間的關系。紅色顯示了谷歌量子AI實驗室的預期研究方向，他們希望近期能夠開發出基于糾錯量子計算機的相關應用。來源：GoogleQuantum AI Lab

谷歌原本希望在9個量子比特的設備上實現類似的性能，但現在已經做到了72個量子比特。他們指出，未來在建造更大規模的量子計算機時，Bristlecone將會是一個令人信服的原理證明。谷歌也表示，在低的系統錯誤下運行像Bristlecone這樣的設備需要軟件、控制電子以及處理器本身等多種技術進行配合，因此接下來還需要在幾輪的迭代中對系統工程進行仔細的觀察。

谷歌量子AI實驗室指出，使用Bristlecone可以實現量子霸權，而且在這種水平上學習如何構建和操作設備會是一個令人興奮的挑戰。他們期待分享結果，而這也可以幫助更多的研究人員進行這方面的實驗。