今天，谷歌在洛杉磯舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年度會(huì)議上推出了他們的 72-qubit 超導(dǎo)量子處理器 Bristlecone。本文介紹了他們的成果、近期目標(biāo)和未來(lái)展望。
谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)可以解決實(shí)際問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)，其策略是使用與大規(guī)模通用糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)向前兼容的系統(tǒng)探索近期應(yīng)用。為了使量子處理器可運(yùn)行超出經(jīng)典模擬能力之外的算法，僅有大量的量子比特是不夠的。關(guān)鍵的是，處理器在讀出和邏輯運(yùn)算時(shí)也必須具備低錯(cuò)誤率，比如單比特量子門和兩比特量子門。
谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室：https://research.google.com/pubs/QuantumAI.html
今天，谷歌在洛杉磯舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年度會(huì)議上推出了他們的量子處理器 Bristlecone，這一基于門的超導(dǎo)系統(tǒng)的目的是為研究系統(tǒng)錯(cuò)誤率和量子比特技術(shù)的可擴(kuò)展性以及量子模擬、優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。
谷歌最新的量子處理器 Bristlecone（左）。設(shè)備示意圖（右）：每個(gè)「X」代表一個(gè)帶有最近鄰連接的量子比特。
該處理器的指導(dǎo)設(shè)計(jì)原則是保留谷歌先前 9 個(gè)量子比特線性陣列技術(shù)的物理學(xué)基礎(chǔ)，展示其最佳結(jié)果：讀出錯(cuò)誤率 1%、單量子比特門錯(cuò)誤率 0.1%，以及最為重要的兩比特量子門錯(cuò)誤率 0.6%。該處理器使用了相同的耦合、控制和讀出方案，但已擴(kuò)展至 72 個(gè)量子比特的矩形陣列。之所以選擇這一規(guī)模的處理器是為了在未來(lái)實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」，使用表面代碼探索一階和二階糾錯(cuò)，并推動(dòng)量子算法在實(shí)際硬件上的部署。
圖中展示了錯(cuò)誤率上限和量子比特?cái)?shù)之間的關(guān)系。谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室的研究方向如圖中紅線所示，實(shí)現(xiàn)近期應(yīng)用目標(biāo)，并最終建立實(shí)用的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。
在探索具體的應(yīng)用之前，量化量子處理器的功能很重要。谷歌的理論團(tuán)隊(duì)為這項(xiàng)任務(wù)開發(fā)了基準(zhǔn)測(cè)試工具。通過(guò)應(yīng)用隨機(jī)量子電路到設(shè)備上并檢查采樣的輸出分布，與經(jīng)典模擬進(jìn)行對(duì)比，可以確定單個(gè)系統(tǒng)的誤差。如果量子處理器有足夠低的誤差，它可以在定義明確的計(jì)算機(jī)科學(xué)問(wèn)題上超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，即實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」。這些量子電路無(wú)論是量子比特?cái)?shù)還是計(jì)算長(zhǎng)度（深度）都必須足夠大。雖然還沒(méi)有人達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，谷歌通過(guò)計(jì)算確定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，49 個(gè)量子比特、超過(guò) 40 的電路深度和低于 0.5% 的兩比特量子門錯(cuò)誤率就可以構(gòu)建實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」的量子計(jì)算機(jī)。谷歌表示量子處理器超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)證明將是該領(lǐng)域的分水嶺，這也一直是其主要目標(biāo)之一。
谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室（圣芭芭拉）的研究科學(xué)家 Marissa Giustina 正在安裝一個(gè) Bristlecone 芯片。
谷歌近期的目標(biāo)是在 Bristlecone 的 72 量子比特上實(shí)現(xiàn)近似 9 量子比特設(shè)備的最佳錯(cuò)誤率。他們相信 Bristlecone 將作為建立更大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的引人入勝的原理驗(yàn)證。在低系統(tǒng)誤差下操作 Bristlecone 這樣的設(shè)備，需要從軟件、電子控制設(shè)備到處理器本身的完整技術(shù)堆棧的互相協(xié)調(diào)。實(shí)現(xiàn)真正的工作需要系統(tǒng)工程的多次迭代。
谷歌樂(lè)觀地認(rèn)為 Bristlecone 可以實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」，他們期望在未來(lái)繼續(xù)共享研究成果，與合作者一起運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。