詳細(xì)闡述谷歌的“量子霸權(quán)”藍(lán)圖

今年3月，谷歌重磅宣布推出一款 72 個(gè)量子比特的最新量子計(jì)算器 Bristlecone，實(shí)現(xiàn)了 1% 的低錯(cuò)誤率，與 9 個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)持平。參與這一工作的谷歌工程師表示非常樂觀，認(rèn)為如果一切運(yùn)作良好，量子霸權(quán)可以在幾個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

谷歌的目標(biāo)是構(gòu)建可用于解決現(xiàn)實(shí)世界問題的量子計(jì)算機(jī)，其策略是使用與通用糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)兼容的系統(tǒng)來探索近期的應(yīng)用。今天，谷歌博客發(fā)表文章，介紹了近期在 Science 和 NaturePhysics 上發(fā)表的兩個(gè)量子計(jì)算的研究，詳細(xì)闡述谷歌的“量子霸權(quán)”藍(lán)圖。

實(shí)際演示量子霸權(quán)的理論基礎(chǔ)：量子計(jì)算機(jī)的“hello world”程序

量子計(jì)算融合了過去半個(gè)世紀(jì)的兩次最大的技術(shù)革命——信息技術(shù)和量子力學(xué)。如果我們使用量子力學(xué)的規(guī)則，而不是二進(jìn)制邏輯來計(jì)算，一些棘手的計(jì)算任務(wù)就能變得可行。在追求通用量子計(jì)算機(jī)的過程中，一個(gè)重要目標(biāo)是確定對(duì)于今天的經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說過于困難的最小計(jì)算任務(wù)。這個(gè)交叉點(diǎn)被稱為“量子霸權(quán)”（quantum supremacy，又稱“量子優(yōu)勢(shì)”）的邊界，是通向更強(qiáng)大、更有用的計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。

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

爭(zhēng)論的結(jié)果是，隨機(jī)混沌系統(tǒng)（聯(lián)想蝴蝶效應(yīng)）的輸出會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，越難以預(yù)測(cè)。如果制造出一個(gè)隨機(jī)的、混沌的量子比特系統(tǒng)，并檢驗(yàn)一個(gè)經(jīng)典系統(tǒng)需要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來模擬它，那么就可以很好地衡量一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)何時(shí)可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。可以說，這是證明經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力之間呈指數(shù)分離的最強(qiáng)有力的理論建議。

為了確定量子霸權(quán)的邊界在哪里，對(duì)隨機(jī)量子電路進(jìn)行采樣已經(jīng)迅速成為一個(gè)令人興奮的研究領(lǐng)域。一方面，改進(jìn)模擬量子電路的經(jīng)典算法旨在增加建立量子優(yōu)勢(shì)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(cuò)誤率的實(shí)驗(yàn)量子設(shè)備實(shí)現(xiàn)足夠深的電路（即電路中的柵極層數(shù)足夠多），以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)（supremacy）。

另一方面，我們現(xiàn)在更好地理解了用于構(gòu)建隨機(jī)量子電路的量子門（quantum gates）的具體選擇會(huì)如何影響模擬的成本，從而導(dǎo)致近期量子霸權(quán)的基準(zhǔn)（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(jī)量子電路進(jìn)行采樣是量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)很好的校準(zhǔn)基準(zhǔn)，我們稱之為交叉熵基準(zhǔn)。一個(gè)成功的隨機(jī)電路量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)將證明大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建塊。此外，量子物理學(xué)還沒有對(duì)如此高度復(fù)雜的量子態(tài)進(jìn)行過測(cè)試。

圖：量子電路計(jì)算的時(shí)空體積。量子模擬的計(jì)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(shù)和電路深度而呈指數(shù)增長(zhǎng)。對(duì)于量子比特的不對(duì)稱網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)空體積隨深度的增長(zhǎng)會(huì)比對(duì)稱網(wǎng)格慢，并且可能導(dǎo)致電路更容易模擬。

用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖

在另一篇發(fā)表于Science的論文《用超導(dǎo)量子比特演示量子霸權(quán)的藍(lán)圖》（“A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits”）中，谷歌闡述了量子霸權(quán)的藍(lán)圖，并首次實(shí)驗(yàn)證明了一個(gè)原理驗(yàn)證的版本。

在論文中，我們討論了量子霸權(quán)的兩個(gè)關(guān)鍵要素：指數(shù)復(fù)雜性和精確計(jì)算。我們首先在運(yùn)行設(shè)備的一部分運(yùn)行算法，范圍從5到9個(gè)量子位。我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典模擬成本隨著量子比特?cái)?shù)量增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。這些結(jié)果旨在為這些設(shè)備的指數(shù)能力提供明確的例證。

設(shè)備：9比特陣列。這是設(shè)備的光學(xué)顯微照片?；疑珔^(qū)域是鋁，黑色區(qū)域是鋁被蝕刻去定義特征的地方。其他顏色用以區(qū)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(zhǔn)比較我們的結(jié)果與普通計(jì)算機(jī)的結(jié)果，并顯示我們的計(jì)算結(jié)果是非常準(zhǔn)確的。事實(shí)上，錯(cuò)誤率足夠低，可以用更大的量子處理器實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

除了實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)外，量子平臺(tái)應(yīng)該提供明確的應(yīng)用。在我們的論文中，我們將我們的算法應(yīng)用于量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的計(jì)算問題，這些問題使用復(fù)雜的多量子比特門（multi-qubit gates），相對(duì)于為數(shù)字量子處理器設(shè)計(jì)的具有表面代碼糾錯(cuò)的兩量子比特門（two-qubit gates），它是相反的。我們證明了，們的設(shè)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(xì)微差異。通過將這些結(jié)果擴(kuò)展到約50個(gè)量子比特的下一代設(shè)備，我們希望能夠回答超出任何其他計(jì)算平臺(tái)能力的科學(xué)問題。

圖：Charles Neill和Pedram Roushan開發(fā)的兩個(gè)gmon的超導(dǎo)量子比特及其可調(diào)耦合器

這兩篇論文為近期量子霸權(quán)提出了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的建議，并首次證明了一個(gè)原理驗(yàn)證版本。谷歌表示，將繼續(xù)降低錯(cuò)誤率并增加量子處理器中的量子比特?cái)?shù)，以達(dá)到量子霸權(quán)的邊界，并為短期實(shí)用的應(yīng)用開發(fā)量子算法。