問鼎量子霸權(quán)！谷歌72量子比特芯片問世，橫向比較巨頭量子進展

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關(guān)鍵信息：谷歌推出了擁有72量子比特的量子芯片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(yōu)秀成績。Bristlecone為量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)的應(yīng)用提供了一個實驗平臺。

關(guān)鍵意義：這是量子比特芯片領(lǐng)域的重大進展，超越了業(yè)界公認的50量子比特芯片就可以達到量子霸權(quán)的標準，向量子計算超越經(jīng)典超級計算機又邁進了一步，加速了人工智能算法訓(xùn)練和科學(xué)難題的解決。

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

▲科學(xué)家在谷歌量子人工智能實驗室安裝芯片

72量子比特意味著什么呢？

量子比特是量子計算機里面的一種信息單元，與傳統(tǒng)計算機的0或1不同，量子比特可能是0~1中任何一個數(shù)字也可能是二者的疊加；受自身特性的限制，量子比特極不穩(wěn)定，除了需要在極低的溫度下存放外，還不能受到任何沖力或震動，任何一點外力都有可能破壞它的位置導(dǎo)致量子比特崩盤，因此放置了72個量子比特的芯片就像在針尖上立了72個雞蛋。

量子比特數(shù)量提升，錯誤率保持低平

Bristlecone除了能夠研究量子比特的系統(tǒng)錯誤率和可擴展性，也為量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)的應(yīng)用提供了一個實驗平臺。谷歌認為，隨著72量子位芯片的發(fā)展，他正在展示出量子霸權(quán)。

量子霸權(quán)通常意義上講是量子計算機超越經(jīng)典超級計算機的表現(xiàn)。谷歌曾表示：經(jīng)計算，49量子比特的量子芯片就可以實現(xiàn)量子霸權(quán)?？呻S著IBM 50量子比特芯片的發(fā)布，谷歌的49量子比特芯片也被如今的72量子比特芯片所代替。

本次谷歌的72量子位芯片Bristlecone是從9量子位基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在2014年，《自然》雜志就報道了9量子比特的芯片設(shè)計，當時谷歌人工智能量子實驗室的研究科學(xué)家Kelly解釋說，該芯片達到了讀數(shù)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。

Bristlecone的一個重要特征，是使用了與9量子比特芯片相同的模式進行耦合、控制和讀出的，在此基礎(chǔ)上擴展成為的一個包含72個量子比特的正方形數(shù)組。而它的錯誤率卻依然保持在9量子比特的水平。

Bristlecone芯片（左）及其圖示（右），每個X代表一個量子比特

Bristlecone的另一個重要特征，是它仍然可以進行經(jīng)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(jīng)典計算機上實現(xiàn)加速。下圖表示了錯誤率和量子比特數(shù)之間的關(guān)系，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(shù)量越多，錯誤率越低是谷歌人工智能的研究方向。

IBM、微軟和英特爾在量子領(lǐng)域的進展

去年11月，IBM宣布構(gòu)建出50個量子比特原型機，這一舉動被認為IBM在量子霸權(quán)領(lǐng)域的重要舉措。與谷歌的72量子比特芯片可提供量子測試類似，IBM 量子系統(tǒng)的Quantum Experience允許任何人、企業(yè)、大學(xué)等編寫和提交自己的量子應(yīng)用程序或?qū)嶒?，以便在IBM的量子計算設(shè)備上運行。

微軟是接觸量子比特較早的企業(yè)，發(fā)現(xiàn)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能研究人員利用機器學(xué)習(xí)，加快訓(xùn)練算法的勞動密集型流程。例如，如果量子計算能夠把 Cortana 數(shù)字助理算法訓(xùn)練的時間從一個月縮短到一天，這將是人工智能發(fā)展的重大進步?！凹词蛊渌３植蛔?，Cortana 的速度也會提高 30 倍?！蔽④浭紫芯颗c戰(zhàn)略官表示。

但目前微軟并未推出量子比特芯片，它的研究方向在別的方面，比如為量子計算機設(shè)計新的編程語言并在量子模擬器上進行測試。但在今年1月底，《金融時報》 曾發(fā)文稱，谷歌和微軟將在接下來的幾周內(nèi)推出自己在量子領(lǐng)域的重大進展，現(xiàn)在谷歌已發(fā)布，接下就看微軟了。

在今年的CES上，英特爾宣布已制造出49量子比特的芯片Tangle Lake，其之前的量子芯片為17量子比特，并交付給了合作伙伴進行測試，使量子比特芯片不再局限于科研成果。

▲英特爾17位量子比特芯片

雖然一提到量子就會讓人聯(lián)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(xué)家在幾分鐘、幾小時內(nèi)，完成目前最先進經(jīng)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(jīng)典計算機無法解決的科學(xué)難題。

2018年將是量子芯片實現(xiàn)重大突破的一年，年初巨頭們便紛紛推出量子領(lǐng)域的新進展，但無可否認的是，量子計算仍處在初級階段，量子芯片已研發(fā)出來，下一步的挑戰(zhàn)是考慮如何運用它們。

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