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)世界上首款72量子比特的量子芯片。
可能有不少朋友對(duì)于72量子比特不太了解，其實(shí)量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是通過量子比特?cái)?shù)量來確定的，那么量子比特?cái)?shù)量是什么？
在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，存儲(chǔ)的信息單位是比特（bit），比特使用二進(jìn)制，也就是說一個(gè)比特表示的不是“0”就是“1”。
但是，在量子計(jì)算機(jī)里，情況會(huì)變得完全不同，量子計(jì)算機(jī)的信息單位是量子比特（qubit），量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，甚至還可以是“1”和“0”的疊加狀態(tài)（superposition），即同時(shí)等于“0”和“1”，而這種狀態(tài)在被觀察時(shí)，會(huì)坍塌成為“0”或是“1”，也就變成了確定的值，其實(shí)也就和經(jīng)典量子理論“薛定諤的貓”是一個(gè)道理（把一只貓放到一個(gè)不透明的特殊盒子中，在打開盒子前，這只貓既可能是死的，也可能是活的，打開后，兩種可能性才坍塌到其中一種）。除此之外，兩個(gè)量子比特還可以共享量子態(tài)，無論這兩個(gè)量子比特離得多遠(yuǎn)，也就是所謂的“量子糾纏”（entanglement）。
量子比特的神奇之處
理論上，2個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)每一步可以做到2的2次方，也就是4次運(yùn)算，所以說，50量子比特的運(yùn)算速度（2的50次方=1125億億次）將秒殺最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)（目前世界最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)是神威·太湖之光，運(yùn)算速度是每秒9.3億億次）。
說得再具體一點(diǎn)，拿《火影忍者》舉例的話，那就是佐助是經(jīng)典計(jì)算機(jī)，鳴人是量子計(jì)算機(jī)，要找一個(gè)東西，佐助只能自己一個(gè)一個(gè)地方跑去找，也許要找一年。
但是鳴人可以分出5個(gè)影分身，然后5個(gè)影分身再分出5個(gè)影分身，分身的分身再分身，所有分身都同時(shí)去不同的地方，瞬間找到東西，然后分身收回，只剩一個(gè)鳴人，取回東西，完成。所以說量子計(jì)算能力驚人。
谷歌此次公布的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，量子比特之間以線性陣列方式相連
谷歌利用稱為量子糾錯(cuò)（Quantum Error Correction）的專門流程對(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)！
畢竟就在上周，在舊金山舉行的IBM Inaugural Index開發(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)百萬倍。
谷歌可能憑Bristlecone實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)
在2017年11月的《自然》雜志采訪中，谷歌量子計(jì)算專家約翰·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)所解決不了的問題。
正因量子計(jì)算機(jī)有很多經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭都已紛紛入局，搶奪高地。而這其中，“50量子比特”成為一個(gè)重要門檻。
因此，業(yè)內(nèi)也將達(dá)到50量子比特的計(jì)算機(jī)稱為達(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，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)。
▲錯(cuò)誤率和量子比特位數(shù)之間的關(guān)系
根據(jù)谷歌的說法，實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的最低錯(cuò)誤率必須在1％以內(nèi)，并且接近100個(gè)量子比特。從這次公布的Bristlecone量子芯片來看，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％，單量子比特門錯(cuò)誤率為0.1％，雙量子比特門錯(cuò)誤率為0.6％。
谷歌在公布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)問題上超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)，這個(gè)成就被稱為量子霸權(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40以及雙量子比特錯(cuò)誤率低于0.5％來達(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。
谷歌之前放過話，說在2017年內(nèi)會(huì)做出一個(gè)49量子比特的量子芯片來實(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)問題。
在谷歌宣布要在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)。
▲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
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。
2017年12月，來自德國(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。
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。對(duì)此，谷歌也表示：“我們樂觀但同時(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
2017年，谷歌量子團(tuán)隊(duì)在Nature刊文稱，他們堅(jiān)信即使還缺乏能夠完整糾錯(cuò)的理論，但5年之內(nèi)仍會(huì)有與量子計(jì)算有關(guān)的小型設(shè)備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報(bào)。“早期的量子計(jì)算設(shè)備將在量子模擬，量子輔助優(yōu)化和量子采樣領(lǐng)域有商業(yè)運(yùn)用。更快的計(jì)算速度對(duì)從人工智能到金融和醫(yī)療等領(lǐng)域具有明顯的商業(yè)優(yōu)勢(shì)”。
而量子計(jì)算之所以如此重要，除了因?yàn)樗翱臁保€因?yàn)樗梢灾匦露x程序和算法，顛覆眾多領(lǐng)域，例如：
軍事方面，一切現(xiàn)有的密碼學(xué)全都要被重新改寫，因?yàn)橛昧孔佑?jì)算機(jī)能輕易破譯所有密碼；醫(yī)學(xué)方面，量子計(jì)算機(jī)可以模擬人體內(nèi)的各種化學(xué)分子，建立起醫(yī)學(xué)模擬的新模型；此外還有氣象學(xué)、材料科學(xué)等種種領(lǐng)域都面臨著量子計(jì)算的顛覆。
不過，目前我們離真正的量子計(jì)算機(jī)還有距離，現(xiàn)在，量子計(jì)算機(jī)還只是非常初步的階段，量子比特的脆弱、不穩(wěn)定性還有低精度的問題還沒有解決，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。