超算界祁同伟，谷歌要让全世界向量子霸权低头
作者：Rachel Courtland
翻译：西瓜鱼
审校：山寺小沙弥
量子计算机一直以来都用于解决某些传统计算机无法完成——哪怕是最强的传
统计算机也不能胜任的特殊计算工作。如今，谷歌戈拉塔实验室的研究员们厚积薄发。有望最终昭告世人：使用同种类型的量子比特（qubit），有朝一日能够建成大型量子计算机。
图1存放超导量子计算机芯片的稀释制冷机
到今年年末，该团队计划将电路中集成的超导量子比特数进一步提升，构建7×7的量子比特阵列。谷歌的研究员希望借助于这种量子集成电路，执行即使是最强超级计算机也力有不逮的计算，从而展现所谓的“量子霸权”。
图2 谷歌团队的ReZQu量子比特结构
“多年以来我们一直在谈论，得益于量子力学原理，量子处理器将会是多么强大，但我们想将其强大之处具体地展示出来。”项目组成员约翰·马丁尼如是说道。马丁尼是加州大学圣芭芭拉分校的一位教授，于2014年加盟谷歌。
图3 马丁尼团队合照
然而，物理学家们预计，由仅仅49个超导量子比特（49-qubit）构成的系统，远远不足以解决那些催生了量子计算研究的复杂计算问题，舒尔算法即是其中一个例子。舒尔算法是一种用于快速分解大数的计算方案，这种计算方案可以破解当代加密系统的基本构成部分。近日马丁尼与同事们在《自然》杂志发表评论称：分解两千位的数字——这个长度在公钥中并不罕见——预计需要由1亿个量子比特构成的系统运算一整天。马丁尼表示，绝大多数的量子比特都用于构建特殊的量子态以执行计算与纠错，在成千上万的物理组件中，只能形成大概一千个稳定的“逻辑量子比特”。
图4 Shor算法中的子程序
在谷歌的49量子比特的系统内并不存在特殊的架构，这就意味着要展现量子霸权，马丁尼需要换个计算项目。为彰显这种芯片相比传统计算机的优越性，谷歌团队将会在量子比特阵列上进行无序演化的运算并输出随机数。传统计算机在小系统内也能模拟出这类输出。例如今年四月份，劳伦斯伯克利国家实验室报道称在29 petaflop（所谓petaflop，是衡量计算机性能的一个重要单位，1petaflop等于每秒钟进行1千万亿次的数学运算）级的超级计算机Cori上模拟出了45个量子比特的输出结果。但49个量子比特级的量子计算机无疑将会挑战甚至突破传统超算的极限。
图5 伯克利劳伦斯实验室的超算Cori
这种算法目前还没有明确的应用前景。不过马丁尼声称采用该算法并非只是展现量子霸权。用于构建49量子比特阵列的量子比特同样可以构建更大的具备纠错能力的“通用”量子系统，采用这类系统的芯片具备解密能力，从而提供有效的数据验证功能。
图6谷歌目前的量子计算芯片是2×3的量子比特阵列，他们计划在年内将其升级到7×7阵列。
除此之外，马丁尼团队认为该算法在少纠错与无纠错计算系统中的潜力也有待发掘。“如果这是真的，那就厉害了，我们的研究就可以立即投入使用而不必等有生之年了。”马丁尼如是说，并猜想一个可能的应用方向是材料和化学反应的模拟。
谷歌近日在9×1 量子比特阵列上进行了这一算法的试运行，并在一个2×3阵列上对某些制备技术进行了测试。系统量子比特数目的扩展会分阶段进行。“这是一个颇具挑战性的工程难题”，马丁尼表示，“我们必须在扩展系统量子比特数目的同时，保证这些量子比特正常工作，决不允许出现高错误率和信息失真，但这两个要求——扩展系统和保持低错误率可以说是互相矛盾的。”尽管如此，他和他的团队坚持认为有办法把系统扩展到50个量子比特以上而无需纠错。
图7马丁尼团队构建的9×1量子点阵
谷歌在大规模无纠错量子系统领域并非一枝独秀。三月份，IBM公布了一项在未来几年内搭建一套超导量子比特系统的计划，同样约为50个量子比特，并开放云服务。“50是个神奇的数字，”IBM主管该领域的副总裁鲍勃·苏特声称，50是标志着量子计算机在某些领域内超越传统计算机的转折点。
图8 IBM工作人员正在测试量子计算器件
据德克萨斯大学的斯科特·亚伦森教授所言，在D-Wave系统公司开展商用量子计算机业务后，超导量子比特的质量大为提升。该公司总部位于加拿大的本拿比，宣称自家的量子计算机能提供比传统计算机更快的运算速度。但亚伦森认为他们的豪言壮语有待商榷。而相比之下，谷歌团队的工作显然志在“一目了然，毋庸置疑”地展现量子计算机的霸主地位。
图9D-Wave公司提供的商用量子计算机
在亚伦森教授看来，50个量子比特左右的芯片能有何具体应用尚不明确，能否将系统进一步扩大而无需纠错也暂且未知。话虽如此，他还是断定量子霸权计划会成为人类尝试建造大型通用量子计算机而获得的重要成果，是一项里程碑式的工作。“对我来说，能够确定这个世界的运行方式就已经是一件很有意义的事情了。更何况这计划本身就源于一项终将造福人类的技术，那么我们为什么不把它推进下去呢？”
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编辑：huashan
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