在今年于洛杉磯舉辦的美國物理學(xué)會年會上，谷歌放了一個大招，發(fā)布全球首個 72 位量子比特通用的量子計算機 Bristlecon，實現(xiàn) 1% 的低錯誤率，與谷歌之前涉及的 9 量子比特通用的量子計算機持平。這款處理器不僅能夠幫助科學(xué)家們進行量子模擬的探索，還能夠在量子優(yōu)化和量子機器學(xué)習(xí)上有所應(yīng)用。

　　谷歌相關(guān)人員表示：

我們謹(jǐn)慎且樂觀地認為，Bristlecone 可以實現(xiàn)量子霸權(quán)（Quantum Supremacy）。

　　谷歌最新量子處理器 Bristlecon

　　關(guān)于這臺量子計算機，我們可以了解以下幾點概念：

　　量子霸權(quán)

　　“量子霸權(quán)”也稱為“量子優(yōu)越性”，這個詞涉及量子計算機在某些類型的方程上超越經(jīng)典超級計算機的能力。具體來說，50 量子比特的量子計算機優(yōu)于現(xiàn)在的任何一臺經(jīng)典計算機。達到量子霸權(quán)才算真正意義的量子計算機。不過，測量量子處理器的性能以確定量子霸權(quán)是否已經(jīng)實現(xiàn)的度量標(biāo)準(zhǔn)也是量子物理學(xué)家之間爭論的焦點。

　　眾所周知，量子計算機的計算能力大大超過最先進的超級計算機的能力。有專家認為，這可以說是量子芯片發(fā)展的一大步，量子以二維布局排列，使得控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。這更接近實現(xiàn)表層編碼所需要的條件，即操縱量子系統(tǒng)中的量子以執(zhí)行有用計算的能力。Google 相關(guān)工作人員認為，此次發(fā)布的新處理器不僅將實現(xiàn)量子霸權(quán)，而且谷歌已經(jīng)開發(fā)出一種基準(zhǔn)測試工具來衡量量子計算機是否已經(jīng)達到量子霸權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)。這個測試可以將隨機單個量子電路應(yīng)用于處理器，并測量經(jīng)典模擬的輸出。

　　Bristlecone

　　這臺計算機由谷歌量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）開發(fā)，基于 Google 研究人員開發(fā)的九比特矩陣，類似于松果的外形，因此被命名為 Bristlecone（狐尾松）。谷歌量子 AI 實驗室的目標(biāo)是建造可以用于解決真實世界問題的量子計算機，他們的研究策略是在可以和大規(guī)模、通用化、可糾錯的量子計算機向前兼容的系統(tǒng)上探索短期解決方案。

　　芯片結(jié)構(gòu)示意圖，每一個「X」代表一個量子比特，相鄰最近的量子比特之間相連

　　為了讓量子處理器運行經(jīng)典模擬算法之外的算法，它當(dāng)然需要更多的量子比特（qubit）數(shù)目，但它還需要更多。最關(guān)鍵的是，這個處理器必須在讀取以及單、雙量子比特門之類邏輯操作中保持很低的錯誤率。

　　量子比特

　　量子比特是數(shù)字比特的量子模擬形式，是傳統(tǒng)計算機處理的最小信息單位。然而，數(shù)字比特是二進制的，只能在 0 和 1 之間選擇。而量子比特可以存在于疊加的狀態(tài)中（其值可以是 0、1 或其他組合）。如果是N個量子比特，理論上可以同時存儲 2^N 的數(shù)據(jù)。比如 250 個量子比特可存儲的數(shù)據(jù)就是2^250，這個數(shù)字比已知宇宙所有原子加起來還要多。量子計算機在進行運算時，可以同時計算2^N的數(shù)學(xué)運算，相當(dāng)于經(jīng)典計算機要重復(fù)2^N的計算。由此可見，量子計算機可以節(jié)約大量的時間和計算單元，讓量子計算機可以查詢數(shù)據(jù)庫、分解大素數(shù)或創(chuàng)建復(fù)雜的科學(xué)模型，而且比超級計算機更高效更準(zhǔn)確。

　　量子比特數(shù)

　　但是創(chuàng)建一個大型的量子計算機不僅僅是將一堆量子比特串在一起那么簡單。創(chuàng)建量子比特陣列是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。通常需要特殊材料，需要昂貴的激光設(shè)置和/或極端的環(huán)境條件才能創(chuàng)建成功并正常運行，具體取決于量子比特是基于離子、自旋半導(dǎo)體還是基于 Google 處理器或者超導(dǎo)電路。

　　需要注意的是，量子比特本身對噪聲環(huán)境干擾非常敏感，非理想環(huán)境可能會導(dǎo)致量子比特的狀態(tài)出現(xiàn)問題，因此非常容易出錯。以最小的錯誤率創(chuàng)建強大的量子位陣列是物理學(xué)家和功能強大的量子計算機之間最大的障礙之一。

　　錯誤率

　　由于量子的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，所以僅有 50 個量子比特是遠遠不夠的，因為量子比特的量子糾纏會出錯，只有足夠多的量子比特和低的錯誤率才能實現(xiàn)真正意義的量子霸權(quán)。

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安裝 Bristlecone 

　　這臺 72 位量子計算機所使用的量子位矩陣（與之前的 9 量子比特通用量子計算機）能夠?qū)崿F(xiàn) 1％ 的讀取錯誤率、0.1％ 的單量子比特門錯誤率和 0.6％ 的雙比特門錯誤率。量子比特門就是量子門（也叫量子邏輯）是基本的，操作一個小數(shù)量量子比特的量子線路 。它是量子線路的基礎(chǔ)，就像傳統(tǒng)邏輯門跟一般數(shù)字線路之間的關(guān)系。常見量子門針對一個或兩個量子比特進行邏輯運算，最終產(chǎn)生單個輸出。

　　量子計算機可能破解比特幣

　　目前量子計算機只在科研領(lǐng)域有所應(yīng)用，但如果真如 Google 實驗室所言，Bristlecone 能達到量子霸權(quán)，那么比特幣等基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬貨幣可能將被破解。

　　根據(jù)區(qū)塊鏈中少數(shù)服從多數(shù)的原則，一旦礦工擁有 51% 的算力，其他后續(xù)礦工將無法繼續(xù)獲得比特幣。而未來隨著量子計算機量子比特的增長，區(qū)塊鏈采用的非對稱密碼算法，即公鑰密碼系統(tǒng)也會受到更大的威脅。

　　通過使用量子計算機，可以實現(xiàn)反向運行用公鑰推定私鑰的過程，每個人的私鑰都會被量子計算機輕易推斷出來。外媒 Motherboard 認為一個 4000 量子比特的量子計算機就可以瓦解區(qū)塊鏈，也就是說哪個人或團隊先做出并應(yīng)用這樣的量子計算機就可以解出并驗證每一筆交易，未來會產(chǎn)生的還未流通的所有加密貨幣都會被其壟斷，加密貨幣的信任系統(tǒng)將被瓦解。詳情可參見 FreeBuf 的專題文章：量子計算從概念走入現(xiàn)實，公鑰加密是否岌岌可危。

　　嚴(yán)格意義上講，量子計算機的問世會威脅到現(xiàn)有體系所有的加密學(xué)，將改寫整個金融和銀行業(yè)的安全防護。

　　不過，很多科學(xué)家認為量子計算機并不能取代經(jīng)典計算機。因為量子計算機的計算特點決定了它只能應(yīng)用在少部分領(lǐng)域中，而經(jīng)典計算機的工作范圍遠遠超過量子計算機。

　　但是，各位區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)者也要加強警惕了，谷歌這臺量子計算機一出，預(yù)示著未來的區(qū)塊鏈領(lǐng)域可能會出現(xiàn)翻天覆地的變化。

　　參考來源：

　　http://www.freebuf.com/articles/database/139347.html

　　https://motherboard.vice.com/en_us/article/pam958/bristlecone-google-quantum-computer-72-qubits

　　https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%96%98 （量子門）

　　https://research.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

　　https://www.cnbeta.com/articles/tech/704777.htm