量子計算機應(yīng)用的前景十分光明,，相比經(jīng)典處理器,，某些計算任務(wù)在量子處理器上執(zhí)行的速度可能成倍提高。但是人類科技面臨的一個基本的挑戰(zhàn)是,，需要構(gòu)建一種能夠在指數(shù)級大的計算空間中運行量子算法的高保真處理器,。

現(xiàn)在谷歌確認給我們帶來了一個好消息,，他們的量子計算機是第一個完成傳統(tǒng)計算機幾乎不可能完成計算的計算機,。一種名為Sycamore的超冷量子處理器可以在數(shù)秒鐘內(nèi)完成計算，而世界上最大的超級計算機需要1萬年才能完成,。

今年9月,，英國《金融時報》和其他媒體首先報道了谷歌量子霸權(quán)的消息。此前與谷歌在量子計算領(lǐng)域合作的美國宇航局局網(wǎng)站上泄露了這篇論文的早期版本,，隨后該論文被迅速撤下,，當時谷歌并沒有對此發(fā)表評論。

現(xiàn)在谷歌的研究結(jié)果本周三正式發(fā)表在《自然》雜志上,，我們終于可以詳細了解谷歌的最新成果了。加州大學(xué)圣巴巴拉分校和加州山景城谷歌實驗室的實驗物理學(xué)家約翰·馬提尼斯領(lǐng)導(dǎo)的團隊進行了該項研究,。

這種利用量子計算來獲得超越經(jīng)典計算的結(jié)果的能力被稱為“霸權(quán)”,，自從對該主題的研究開始以來，這種“霸權(quán)”能力一直是量子計算的理論優(yōu)勢,。谷歌使用了一個可編程超導(dǎo)量子位2,3,4,5,6,7的處理器來創(chuàng)建53個量子位上的量子態(tài),，它相當于253維的計算狀態(tài)空間?！蹲匀弧冯s志的論文稱,，由谷歌設(shè)計和制作的Sycamore處理器包含一個由54個透射量子位組成的二維陣列，每個量子位可調(diào)諧地與它的四個近鄰耦合,。量子位以9×6交錯排列。

重復(fù)實驗的測量樣本對概率分布進行取樣,，并且經(jīng)過可經(jīng)典的模擬驗證。谷歌的Sycamore處理器大約需要200秒的時間來采樣一個量子電路的實例一百萬次。谷歌目前的基準測試表明,，對于一個最先進的經(jīng)典超級計算機,，同樣的任務(wù)大約需要1萬年。與所有已知的經(jīng)典算法相比,，這種速度的顯著提高是針對此特定計算任務(wù)的量子霸權(quán)8,、9、10,、11,、12、13,、14的實驗實現(xiàn),，預(yù)示著一個人們期待已久的計算范例的誕生。

20世紀80年代早期,，理查德·費曼提出量子計算機將是解決物理和化學(xué)問題的有效工具，因為用經(jīng)典計算機模擬大型量子系統(tǒng)的成本是指數(shù)級的,。想要實現(xiàn)費曼的設(shè)想需要大量的實驗和理論挑戰(zhàn),。

首先，需要設(shè)計一個量子系統(tǒng),，能夠在一個足夠大的希爾伯特計算空間中以足夠低的錯誤率來提供量子加速,；其次，我們能否提出一個對經(jīng)典計算機來說很難但對量子計算機來說容易的問題?

通過在超導(dǎo)量子位處理器上計算這樣一個基準任務(wù),，谷歌解決了以上兩個問題。谷歌的實驗實現(xiàn)了量子霸權(quán),，這是邁向全尺度量子計算 8,、9、10,、11,、12、13,、14的里程碑,。在達到這一里程碑的過程中，谷歌證明了量子加速在真實世界的系統(tǒng)中是可以實現(xiàn)的,，并且不受任何隱藏的物理定律的限制,。

量子霸權(quán)也預(yù)示著嘈雜的中級量子(NISQ)技術(shù)時代的到來,。谷歌演示的基準測試任務(wù)可以立即應(yīng)用于生成可認證的隨機數(shù);這種新的計算能力的其他最初用途可能包括優(yōu)化16,、17,、機器學(xué)習(xí)18、19,、20,、21、材料科學(xué)和化學(xué)22,、23,、24。然而要實現(xiàn)量子計算的全部前景,，例如使用Shor的因式分解算法,，仍然需要技術(shù)飛躍來設(shè)計容錯邏輯量子位25、26,、27,、28、29,。

在谷歌報告提及的開發(fā)測試和基準測試階段之后，谷歌研究團隊一直忙于準備在量子物理模擬和量子化學(xué)以及機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用,。

長期以來,，量子霸權(quán)一直被科學(xué)家視為一個里程碑事件，因為它證明了量子計算機可以超越經(jīng)典計算機,。雖然這一優(yōu)勢現(xiàn)在只在一個非常具體的例子中得到了證明,，但它向物理學(xué)家表明，量子力學(xué)在處理復(fù)雜問題時是按預(yù)期工作的,。谷歌給了我們第一個實驗證據(jù),，證明量子加速在真實世界的系統(tǒng)中是可以實現(xiàn)的。

本文參考資料：https://www./articles/s41586-019-1666-5