今天,，谷歌在洛杉磯舉辦的美國物理學(xué)會年度會議上推出了他們的 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物理學(xué)會年度會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)測試平臺,。
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)測試工具,。通過應(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)問題上超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī),，即實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」,。這些量子電路無論是量子比特?cái)?shù)還是計(jì)算長度（深度）都必須足夠大。雖然還沒有人達(dá)到這個(gè)目標(biāo),，谷歌通過計(jì)算確定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),，49 個(gè)量子比特、超過 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。
谷歌樂觀地認(rèn)為 Bristlecone 可以實(shí)現(xiàn)「量子霸權(quán)」,，他們期望在未來繼續(xù)共享研究成果,，與合作者一起運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。