美國(guó)時(shí)間 3 月 5 日，谷歌研究博客（Google Research Blog）丟出一個(gè)深水炸彈——Bristlecone，這是一個(gè) 72 量子比特的量子芯片。

　　谷歌 Google 此次公布的 Bristlecone 的量子芯片使用了一種新的架構(gòu)，允許單個(gè)陣列上的 72 個(gè)量子比特具有重疊設(shè)計(jì)，將兩個(gè)不同的網(wǎng)格放在一起。

▲左邊是谷歌最新的 72 量子比特量子處理器 Bristlecone 右邊是圖示：每個(gè)“X”代表一個(gè)量子比特，量子比特之間以線(xiàn)性陣列方式相連

　　Google 利用稱(chēng)為量子糾錯(cuò)（Quantum Error Correction）的專(zhuān)門(mén)流程對(duì) Bristlecone 進(jìn)行了優(yōu)化，以盡可能降低錯(cuò)誤率。正是谷歌這樣的設(shè)計(jì)，讓 Bristlecone 量子芯片在達(dá)到 72 量子比特的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了1% 的錯(cuò)誤率。

　　一時(shí)間，科技圈炸開(kāi)了鍋，因?yàn)檫@意味著，在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算這條賽道上，目前谷歌可能成為了領(lǐng)跑的那一個(gè)（關(guān)于量子計(jì)算機(jī)更通俗易懂的報(bào)道可以參看：量子計(jì)算機(jī)有多可怕一秒破譯全世界所有密碼！）。

　　畢竟，上周，在舊金山舉行的 IBM Inaugural Index 開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，IBM 才對(duì)外展示了其 50 個(gè)量子比特原型機(jī)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　這個(gè) 72 量子比特的量子芯片到底意味著什么？這并不表示，谷歌已經(jīng)造出了 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)，只是離這個(gè)目標(biāo)更近了一步，這條路還很長(zhǎng)，所以科技圈也不要太嗨。從 72 量子比特芯片到 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)中間還存在很多需要攻克的障礙，比如，目前超級(jí)計(jì)算機(jī)所能模擬的最大量子比特?cái)?shù)為 46 量子比特，而 72 量子比特所需要的 RAM（Random-Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)）是 46 量子比特的數(shù)百萬(wàn)倍。

　　谷歌可能憑 Bristlecone 實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)

　　2017 年 11 月的《自然》雜志采訪(fǎng)中，谷歌量子計(jì)算專(zhuān)家約翰·馬丁尼（John Martinis）提出，當(dāng)一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)具有大約 50 量子比特的時(shí)候，其計(jì)算能力和速度將超過(guò)世界上任何計(jì)算機(jī)，能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)所解決不了的問(wèn)題。

　　因此，業(yè)內(nèi)也將達(dá)到 50 量子比特的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為達(dá)到了“量子霸權(quán)/量子優(yōu)越性（Quantum Supremacy）”，即 50 量子比特的量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于現(xiàn)在的任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

　　不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，僅僅達(dá)到高數(shù)量的量子比特是不夠的。量子比特的低錯(cuò)誤率至關(guān)重要，不然就會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。只有足夠多的量子比特和足夠低的錯(cuò)誤率才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。

　　根據(jù)谷歌的說(shuō)法，實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的最低錯(cuò)誤率必須在1% 以?xún)?nèi)，并且接近 100 個(gè)量子比特。從這次公布的 Bristlecone 量子芯片來(lái)看，谷歌似乎已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)，Bristlecone 量子芯片達(dá)到 72 位量子比特，錯(cuò)誤率為1%，單量子比特門(mén)錯(cuò)誤率為 0.1%，雙量子比特門(mén)錯(cuò)誤率為 0.6%。

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▲科學(xué)家 Marissa Giustina 在位于 Santa Barbara 的 Quantum AI 實(shí)驗(yàn)室中安裝 Bristlecone 芯片

　　Google 在公布 Bristlecone 的那篇谷歌科技博客中表示：

　　“如果一個(gè)量子處理器可以在足夠低的誤差下運(yùn)行，它就能夠在一個(gè)明確的計(jì)算機(jī)科學(xué)問(wèn)題上超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這個(gè)成就被稱(chēng)為量子霸權(quán)。這些隨機(jī)電路在量子比特?cái)?shù)和計(jì)算長(zhǎng)度（深度）方面都必須很大。

　　盡管還沒(méi)有人達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，但我們預(yù)計(jì)，量子霸權(quán)可以用 49 個(gè)量子比特、電路深度超過(guò) 40 以及雙量子比特錯(cuò)誤率低于 0.5% 來(lái)達(dá)到。我們相信，量子處理器超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)性演示將是這個(gè)領(lǐng)域的分水嶺，并且仍然是我們的關(guān)鍵目標(biāo)之一。”

　　谷歌之前放過(guò)話(huà)，說(shuō)在 2017 年內(nèi)會(huì)做出一個(gè) 49 量子比特的量子芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”（Quantum Supremacy）。量子霸權(quán)，也叫做量子優(yōu)勢(shì)意味著量子計(jì)算機(jī)可以比世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行一些定義明確的科學(xué)問(wèn)題。

　　在 Google 宣布要在 2017 年內(nèi)造出 49 量子比特的量子芯片后不久，IBM 提出，對(duì)于某些特定的量子應(yīng)用，可能需要 56 或更多的量子位以證明量子霸權(quán)。而 Google 似乎打算消除所有疑慮，所以現(xiàn)在它推出 72 量子比特的量子芯片并且把目標(biāo)從實(shí)現(xiàn) 49 量子比特的量子計(jì)算機(jī)直接升級(jí)到實(shí)現(xiàn) 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

　　谷歌的量子霸權(quán)之路

　　谷歌宣布研制出低錯(cuò)誤率、72 量子比特的量子芯片 Bristlecone，并且正在往實(shí)現(xiàn) 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)的方向上推進(jìn)，雖然 72 量子比特非常令人興奮，但是從量子芯片到量子計(jì)算機(jī)，谷歌要做的工作還有很多。

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　　2017 年 12 月，來(lái)自德國(guó)Jülich 超級(jí)計(jì)算中心（Jülich Supercomputing Centre），中國(guó)武漢大學(xué)和荷蘭格羅寧根大學(xué)（the University of Groningen）的研究人員宣布，他們打破了在經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)上可以模擬量子比特?cái)?shù)量的世界紀(jì)錄。

　　該團(tuán)隊(duì)能夠在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬 46 個(gè)量子位，打破了之前 45 個(gè)量子位的記錄。盡管 45 和 46 量子比特之間的差別可能看起來(lái)很小，但是，每增加一個(gè)量子比特，其對(duì)于各方面的要求都是指數(shù)性增加的。通常情況下，如果其他條件相同，每個(gè)額外量子比特的內(nèi)存需求會(huì)翻倍。

　　因此目前，最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)只能模擬 46 個(gè)量子比特，并且對(duì)于需要模擬的每個(gè)新量子比特而言，其存儲(chǔ)需求通常會(huì)增加一倍。

　　因此，要模擬一個(gè) 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)，我們需要數(shù)百萬(wàn)倍的 RAM（Random-Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)），也就是 2 的（72-46）次方倍數(shù)。外媒 Tom’ Hardware 認(rèn)為我們很可能無(wú)法在超級(jí)計(jì)算機(jī)中達(dá)到這樣體量的 RAM。

　　如果谷歌正在研究的 72 量子比特的量子計(jì)算機(jī)能夠比我們最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)更快地運(yùn)行任何算法，那么量子霸權(quán)時(shí)代將會(huì)到來(lái)。對(duì)此，谷歌也表示：“我們樂(lè)觀(guān)但同時(shí)也是謹(jǐn)慎地認(rèn)為，利用 Bristlecone 可以實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)”。

　　量子計(jì)算的發(fā)展前景

　　根據(jù)谷歌的說(shuō)法，當(dāng)我們可以實(shí)現(xiàn) 0.1-1% 的錯(cuò)誤率以及數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)的量子比特時(shí)，量子計(jì)算機(jī)將在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)會(huì)變得非常有用。理想的量子計(jì)算機(jī)至少要有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的量子比特，錯(cuò)誤率低于 0.01%，而這一目標(biāo)可能需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

　　而在實(shí)現(xiàn)這樣的成果之前，我們可能就會(huì)開(kāi)始看到量子計(jì)算機(jī)的一些非常“驚人”的應(yīng)用。例如，外媒 Motherboard 認(rèn)為當(dāng)量子計(jì)算機(jī)有 4000 個(gè)量子比特時(shí)，破壞大多數(shù)現(xiàn)有的密碼學(xué)是可能的（比如區(qū)塊鏈）。而如果量子計(jì)算機(jī)按照當(dāng)前進(jìn)展速度持續(xù)下去，我們可能能夠在十年左右達(dá)到這一目標(biāo)。