谷歌發布世界第一72位量子計算機晶元，震驚世界!BAT均入局

本文綜合自量子計算應用(ID:ZCW_QUANTUM)、曲達視界(IDQUDAKJ)、榕遜說內幕(ID:xunrong1311)

在遙遠的美國，發生了一件大事。

這次看似不太起眼的「蝴蝶翅膀」扇動，卻很可能將在不遠的將來，引起山呼海嘯般的巨震!

谷歌宣布:推出一款72個量子比特的通用量子計算機Bristlecone，實現了1%的低錯誤率。

谷歌說了，Bristlecone已經擁有量子霸權，能夠打敗世界上所有最快的超級計算機。

這無疑是一記倚天屠龍般的驚天暴擊!

關鍵信息:谷歌推出了擁有72量子比特的量子晶元Bristlecone，達到了單量子比特門錯誤率0.1%，雙量子比特門的錯誤率0.6%的優秀成績。Bristlecone為量子模擬、優化和機器學習的應用提供了一個實驗平台。

關鍵意義:這是量子比特晶元領域的重大進展，超越了業界公認的50量子比特晶元就可以達到量子霸權的標準，向量子計算超越經典超級計算機又邁進了一步，加速了人工智慧演算法訓練和科學難題的解決。

在近日召開的洛杉磯美國物理學會會議(APS)上，谷歌推出了擁有72量子比特的量子晶元Bristlecone，超越了IBM的50量子比特的計算機原型和英特爾49量子比特晶元，一時登上了量子霸權的風口浪尖。

72量子比特意味著什麼呢?

可能有不少朋友對於72量子比特不太了解，其實量子計算機的計算能力是通過量子比特數量來確定的，那麼量子比特數量是什麼?

在經典計算機里，存儲的信息單位是比特(bit)，比特使用二進位，也就是說一個比特表示的不是"0"就是"1"。

但是，在量子計算機里，情況會變得完全不同，量子計算機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(superposition)，即同時等於"0"和"1"，而這種狀態在被觀察時，會坍塌成為"0"或是"1"，也就變成了確定的值，其實也就和經典量子理論"薛定諤的貓"是一個道理(把一隻貓放到一個不透明的特殊盒子中，在打開盒子前，這隻貓既可能是死的，也可能是活的，打開後，兩種可能性才坍塌到其中一種)。除此之外，兩個量子比特還可以共享量子態，無論這兩個量子比特離得多遠，也就是所謂的"量子糾纏"(entanglement)。

受自身特性的限制，量子比特極不穩定，除了需要在極低的溫度下存放外，還不能受到任何衝力或震動，任何一點外力都有可能破壞它的位置導致量子比特崩盤，因此放置了72個量子比特的晶元就像在針尖上立了72個雞蛋。

量子比特的神奇之處

理論上，2個量子比特的量子計算機每一步可以做到2的2次方，也就是4次運算，所以說，50量子比特的運算速度(2的50次方=1125億億次)將秒殺最強超級計算機(目前世界最強的超級計算機是神威·太湖之光，運算速度是每秒9.3億億次)。

說得再具體一點，拿《火影忍者》舉例的話，那就是佐助是經典計算機，鳴人是量子計算機，要找一個東西，佐助只能自己一個一個地方跑去找，也許要找一年。

但是鳴人可以分出5個影分身，然後5個影分身再分出5個影分身，分身的分身再分身，所有分身都同時去不同的地方，瞬間找到東西，然後分身收回，只剩一個鳴人，取回東西，完成。所以說量子計算能力驚人。

量子比特數量提升，錯誤率保持低平

Bristlecone除了能夠研究量子比特的系統錯誤率和可擴展性，也為量子模擬、優化和機器學習的應用提供了一個實驗平台。谷歌認為，隨著72量子位晶元的發展，他正在展示出量子霸權。

量子霸權通常意義上講是量子計算機超越經典超級計算機的表現。谷歌曾表示:經計算，49量子比特的量子晶元就可以實現量子霸權。可隨著IBM 50量子比特晶元的發布，谷歌的49量子比特晶元也被如今的72量子比特晶元所代替。

本次谷歌的72量子位晶元Bristlecone是從9量子位基礎上發展而來的，在2014年，《自然》雜誌就報道了9量子比特的晶元設計，當時谷歌人工智慧量子實驗室的研究科學家Kelly解釋說，該晶元達到了讀數錯誤率為1%，單量子比特門錯誤率為0.1%，雙量子比特門的錯誤率是0.6%的好成績。

「我們剛開始測試，」Google的物理學家John Martinis說:「從目前我們所知道的情況來看，我們非常樂觀。」Martinis說，如果一切運作良好，量子霸權可能會在幾個月內實現。

Kelly介紹說，谷歌量子AI實驗室(Google Quantum AI Lab)的目標是構建可用於解決現實世界問題的量子計算機。谷歌的策略是使用與通用糾錯量子計算機兼容的系統來探索近期的應用。為了使量子處理器能夠在經典模擬的範圍之外運行演算法，它不僅需要大規模的量子比特，處理器在讀出(readout)和邏輯運算上的低錯誤率保證也十分重要，比如單比特門和兩比特門。

在洛杉磯舉行的美國物理學會年會上，谷歌展示了一個新的量子處理器Bristlecone。這個基於門的超導系統目的在於研究量子比特技術的系統誤差率和可擴展性，以及在量子模擬、優化和機器學習中的應用。

創紀錄72量子比特量子計算機，錯誤率1%，可實現量子霸權

Julian Kelly介紹，這個最新設備遵循是谷歌之前提出的9個量子比特量子計算機的線性陣列技術所對應的物理學原理，而該技術顯示的最佳結果如下:低的讀數錯誤率(1%)、單量子比特門(0.1%)以及最重要的雙量子比特門(0.6%)。該設備使用與9個量子比特的相同的模式進行耦合、控制和讀出，但將其擴展為一個包含72個量子比特的正方形數組。

實驗中，研究人員選擇了這種尺寸的設備來展示未來的量子霸權，使用面編碼研究一階和二階糾錯，並促進量子演算法在實際硬體上的發展。

Bristlecone晶元(左)及其圖示(右)，每個X代表一個量子比特

(圖片來源於網路)

Bristlecone的另一個重要特徵，是它仍然可以進行經典的計算機模擬，這是目前驗證量子計算機是否正確運行的唯一方法(因為可以交叉核對答案)，而且它可以在經典計算機上實現加速。下圖表示了錯誤率和量子比特數之間的關係，紅線代表谷歌研究方向。我們可以看出，隨著時間的增長，量子位數量越多，錯誤率越低是谷歌人工智慧的研究方向。

在研究特定的應用程序之前，對量子處理器的量化能力很重要。谷歌的理論團隊已經開發出了一種基準測試工具來完成這項任務，通過在設備上應用隨機的量子電路來對系統的任務進行隨機分配，並通過一個經典的模擬方法來檢查抽樣輸出的分布情況。對於一個操作誤差足夠小的量子處理器，它可以在一個明確的計算機科學相關的問題上具有超越經典的超級計算機的表現，也即「量子霸權」。這些隨機電路在量子比特和計算長度以及深度上都必須很大。

雖然目前還沒有人可以實現這個目標，但是谷歌研究人員計算後認為，量子霸權的目標可以通過使用49個量子比特，一個超過40的電路深度，一個低於0.5%的2個比特誤差進行完美的證明。他們相信，這個量子處理器優於超級計算機的實驗證明將會是這個領域的分水嶺，同時也是未來的主要目標之一。

IBM、微軟和英特爾在量子領域的進展(圖片來源於網路)

錯誤率和量子比特位數之間的關係。紅色顯示了谷歌量子AI實驗室的預期研究方向，他們希望近期能夠開發出基於糾錯量子計算機的相關應用。

谷歌原本希望在9個量子比特的設備上實現類似的性能，但現在已經做到了72個量子比特。他們指出，未來在建造更大規模的量子計算機時，Bristlecone將會是一個令人信服的原理證明。谷歌也表示，在低的系統錯誤下運行像Bristlecone這樣的設備需要軟體、控制電子以及處理器本身等多種技術進行配合，因此接下來還需要在幾輪的迭代中對系統工程進行仔細的觀察。

谷歌量子AI實驗室指出，使用Bristlecone可以實現量子霸權，而且在這種水平上學習如何構建和操作設備會是一個令人興奮的挑戰。他們期待分享結果，而這也可以幫助更多的研究人員進行這方面的實驗。

谷歌:從49到72，我們不止比IBM優秀一點點

正如前文所說，谷歌曾表示要建立一個49量子比特的量子計算機來實現量子霸權，並稱這是他們計算後的結果。為什麼這次一下子跳到了「72」量子比特呢?

一直以來，大家都認為50個量子比特的量子計算機是實現量子霸權的「起步價」。就在谷歌拋出49個量子比特的量子計算機實現量子霸權的說法後不久，IBM就稱，他們的研究表明，對於某些特定的量子應用，可能需要56位乃至更多量子比特才能實現量子霸權。

不僅如此，2017年11月12日，IBM宣布成功研發出20量子位的量子計算機，並成功建成並測試全球首台50個量子比特的量子計算原型機。

上周，在舊金山舉行的IBM Inaugural Index開發者大會上，IBM對外展示了其50個量子比特原型機，且內部結構圖也同時曝光。

▲(圖片來源於網路)

去年11月，IBM宣布構建出50個量子比特原型機，這一舉動被認為IBM在量子霸權領域的重要舉措。與谷歌的72量子比特晶元可提供量子測試類似，IBM 量子系統的Quantum Experience允許任何人、企業、大學等編寫和提交自己的量子應用程序或實驗，以便在IBM的量子計算設備上運行。

微軟是接觸量子比特較早的企業，發現出首個拓撲量子位。量子位最早的用途之一就是幫助人工智慧研究人員利用機器學習，加快訓練演算法的勞動密集型流程。例如，如果量子計算能夠把 Cortana 數字助理演算法訓練的時間從一個月縮短到一天，這將是人工智慧發展的重大進步。「即使其它保持不變，Cortana 的速度也會提高 30 倍。」微軟首席研究與戰略官表示。

但目前微軟並未推出量子比特晶元，它的研究方向在別的方面，比如為量子計算機設計新的編程語言並在量子模擬器上進行測試。但在今年1月底，《金融時報》 曾發文稱，谷歌和微軟將在接下來的幾周內推出自己在量子領域的重大進展，現在谷歌已發布，接下就看微軟了。

在今年的CES上，英特爾宣布已製造出49量子比特的晶元Tangle Lake，其之前的量子晶元為17量子比特，並交付給了合作夥伴進行測試，使量子比特晶元不再局限於科研成果。

▲英特爾17位量子比特晶元(圖片來源於網路)

量子計算的發展前景

根據谷歌的說法，當我們可以實現0.1-1%的錯誤率以及數十萬至數百萬的量子比特時，量子計算機將在解決實際問題時會變得非常有用。理想的量子計算機至少要有數以百萬計的量子比特，錯誤率低於0.01%，而這一目標可能需要幾十年的時間才能實現。

而在實現這樣的成果之前，我們可能就會開始看到量子計算機的一些非常「驚人」的應用。例如，外媒Motherboard認為當量子計算機有4000個量子比特時，破壞大多數現有的密碼學是可能的(比如區塊鏈)。而如果量子計算機按照當前進展速度持續下去，我們可能能夠在十年左右達到這一目標。

雖然一提到量子就會讓人聯想到神秘力量，但是專家認為量子計算有許多實際用途，因為它能讓科學家在幾分鐘、幾小時內，完成目前最先進經典計算機用幾十億年才能完成的計算，而這意味著人們可以解答之前經典計算機無法解決的科學難題。

2018年將是量子晶元實現重大突破的一年，年初巨頭們便紛紛推出量子領域的新進展，但無可否認的是，量子計算仍處在初級階段，量子晶元已研發出來，下一步的挑戰是考慮如何運用它們。

對於各國來說，「量子計算」已經成為聖杯，中國互聯網巨頭也不甘落後，積極向量子計算投資。在量子計算研究方面，百度、阿里巴巴、騰訊已經開始布局，它們向一些項目提供資金支持，這些項目可能會成為墊腳石，為「超級計算機之母」量子計算的商用鋪平道路。

量子計算機帶來了全新的信息處理方法，從理論上講，它可以大大提高計算速度，比當今最強大的超級計算機還要快很多倍。

幾天前，百度宣布設立量子計算研究機構，新機構的重點就是尋找辦法，將軟體應用於量子計算領域。而極客網此前報道，阿里巴巴、騰訊也曾設立相似的機構。

去年，中國曾宣布說，要在合肥建設世界最大量子計算研究中心，佔地37公頃，投資高達760億元。它的目標就是開發出量子計算機，可以用于軍事領域，量子計算機可以在數之秒內破解密碼，讓潛水艇以隱形模式在水下航行3個月以上。

為什麼量子計算對大企業(包括互聯網企業、金融企業，比如銀行和保險公司)有著如此大的價值?從理論上講，主要是因為量子計算機處理數據的速度比超級計算機更快，效果更好。

BAT已經收集了大量數據，需要分析，包括電商交易數據、移動遊戲數據、在線搜索數據、支付數據、社交媒體數據、視頻流媒體數據、按需服務數據(比如打車數據和送餐數據)。

每一天，整個地球大約會產生2.5個五萬億位元組(quintillionbytes)的信息，相當於25億GB，量子計算機可以幫助政府、私營企業處理這些數據。

另外，量子計算機還可以增強AI技術，比如面部識別、機器學習和自動駕駛技術。

BAT不只對AI感興趣，還對量子計算感興趣，這一追求與中國整個國家的目標是一致的，中國想以高科技作為依託，從「世界工廠」升級為更先進的經濟體。

中國已經設定目標，要在2030年之前成為全球AI領導者。

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