回顧谷歌量子計算的2021：完全糾錯頗有成果

1月5日消息（余予）谷歌量子人工智能團隊在2021年取得了豐碩的成果。盡管全球性挑戰(zhàn)持續(xù)存在，但谷歌在構(gòu)建完全糾錯的量子計算機方面依舊取得了重大進展，并朝著下一個硬件里程碑——構(gòu)建糾錯量子比特原型機努力。

與此同時，谷歌將繼續(xù)致力于實現(xiàn)量子計算機在各種應用中的潛力。這就是為什么谷歌在頂級期刊上發(fā)表研究成果，與學術(shù)界和工業(yè)界的研究人員合作，并擴大我們的團隊以引進新的人才和專業(yè)知識。

硬件更新

量子人工智能團隊決心在未來十年內(nèi)構(gòu)建一臺糾錯量子計算機，并同時利用其在此過程中學到的知識來提供有用的，甚至是變革性量子計算應用程序。這一長期承諾可概括為量子硬件的三個關(guān)鍵問題：

1.能否證明量子計算機在特定任務中的性能可以超越當今的經(jīng)典超級計算機？谷歌在2019年展示了“量子優(yōu)越性”。

2.可以建立一個糾錯量子比特的原型嗎？為充分發(fā)揮量子計算機的潛力，需要實現(xiàn)量子糾錯，以克服計算過程中存在的噪聲。作為朝這個方向邁出的關(guān)鍵一步，谷歌的目標是通過在多個物理量子位上冗余地編碼量子信息來實現(xiàn)量子糾錯的原語，證明這種冗余會導致使用單個物理量子位的改進。這是谷歌目前的目標。

3.可以構(gòu)建一個在任意長時間內(nèi)都沒有錯誤的邏輯量子位嗎？邏輯量子位在多個物理量子位之間對信息進行冗余編碼，并且能夠減少噪聲對整體量子計算的影響。將幾千個邏輯量子位放在一起將能夠?qū)崿F(xiàn)量子計算機在各種應用中的潛力。

谷歌構(gòu)建糾錯量子計算機之旅的交互式地圖

構(gòu)建糾錯量子比特原型的進展

今天嘈雜的量子計算機與未來完全糾錯的量子計算機之間的距離是巨大的。2021 年，谷歌在縮小這一差距方面取得了重要進展，他們構(gòu)建了一個原型邏輯量子位，其誤差小于其芯片上的物理量子位的誤差。

這項工作需要對整個量子計算堆棧進行改進。谷歌制造了具有更好量子位的芯片，改進了用來封裝這些芯片的方法，以更好地將芯片與控制電子設備連接起來，并開發(fā)了同時校準具有幾十個量子位的大型芯片的技術(shù)。

這些改進最終產(chǎn)生了兩個關(guān)鍵結(jié)果。首先，谷歌現(xiàn)在能夠以高保真度重置他們的量子位，并能夠在量子計算中重用量子位。其次，谷歌實現(xiàn)了中間電路測量，使其能夠跟蹤量子電路內(nèi)的計算。在谷歌最近使用重復碼對位和相位翻轉(zhuǎn)錯誤進行指數(shù)抑制的演示中，高保真重置和中間電路測量被同時使用，隨著重復碼中量子位數(shù)量從5增長到21，對邏輯錯誤的抑制實現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)級增長。

重復碼是一種糾錯工具，使谷歌能夠在資源（更多量子比特）和性能（更低錯誤）之間進行權(quán)衡，這將是指導未來硬件研發(fā)的核心。2021年，谷歌展示了隨著一維代碼包含的量子位數(shù)量，錯誤將如何減少。

谷歌目前正在進行實驗，以將這些結(jié)果擴展到二維表面碼，從而更全面地糾正錯誤。

量子計算的應用

除了構(gòu)建量子硬件，谷歌團隊還在現(xiàn)實世界應用中尋找量子優(yōu)勢的明顯邊際。谷歌正在學術(shù)界和工業(yè)界的合作者一起探索量子計算機可以提供顯著加速的領域，并有現(xiàn)實的期望，即糾錯量子計算機可能需要比二次加速更好的加速才能實現(xiàn)有意義的改進。

2021年谷歌與學術(shù)和行業(yè)合作伙伴的合作是非常寶貴的。

·2021年12月，谷歌與加州理工學院的一項值得注意的合作表明，在某些條件下，量子機器可以通過比傳統(tǒng)要求少得多的實驗來了解物理系統(tǒng)。這種新穎的方法通過使用40個量子位和1300個量子操作進行實驗驗證，即使使用今天的嘈雜型量子處理器，也具有巨大的量子優(yōu)勢。這為量子機器學習和量子傳感方面的更多創(chuàng)新鋪平了道路，并具有潛在的近期用例。

·2021年6月，谷歌與哥倫比亞大學的研究人員合作，將最強大的化學模擬技術(shù)之一——量子蒙特卡羅與量子計算相結(jié)合。當在真正的量子計算機上運行這項技術(shù)的組件時，能夠在不犧牲測量精度的情況下將先前計算的規(guī)模擴大一倍，即使在具有16個量子位的設備上存在噪聲的情況下也是如此。并且，即使在當今的量子計算機上，這種方法對噪聲的恢復能力也表明其具有可擴展性的潛力。

谷歌還研究如何使用量子計算機來模擬量子物理現(xiàn)象——最近，研究人員利用谷歌量子處理器成功制造了時間晶體。這對理論家來說是一個偉大的時刻，他們思考時間晶體的可能性已經(jīng)近一個世紀。在其他工作中，谷歌與NASA艾姆斯研究中心的合作者共同完成了在臺量子計算機上通過實驗測量無序相關(guān)性，探索量子混沌動力學的出現(xiàn)；并通過與慕尼黑技術(shù)大學的合作者使用淺量子電路創(chuàng)建其本征態(tài)，實驗測量了Toric碼哈密頓量基態(tài)的糾纏熵。

谷歌感謝合作者為其在2021年的一些最有影響力的研究中做出的貢獻，甚至啟發(fā)了他們。谷歌量子人工智能團隊繼續(xù)專注于機器學習、化學和多體量子物理學，并將在2022年及以后繼續(xù)與來自世界各地的科學家和研究人員合作，以發(fā)現(xiàn)和實現(xiàn)有意義的量子應用。

持續(xù)投資量子計算生態(tài)系統(tǒng)

2021年，在谷歌年度開發(fā)者大會“Google I/O”上，谷歌重申了其在十年內(nèi)制造出有用的量子計算機所需的路線圖和投資的承諾。谷歌承諾，在忙致力于圣巴巴拉發(fā)展的同時，還繼續(xù)通過其開源軟件支持量子社區(qū)研究人員的發(fā)展。谷歌的量子編程框架Cirq在社區(qū)的貢獻下不斷改進。 2021年谷歌還與生態(tài)系統(tǒng)中的合作伙伴合作發(fā)布了專業(yè)工具。其中幾項如下：

·與QSimulate合作發(fā)布用于量子化學應用的新型費米子量子模擬器，利用量子化學問題中的對稱性來提供有效的模擬。

·量子計算機模擬器工具包qsim的重大升級，允許通過谷歌云在GPU等高性能處理器上模擬嘈雜的量子電路，同時，qsim 與英偉達的cuQuantum SDK 集成，使qsim 用戶能夠在開發(fā)量子算法和應用程序時充分利用英偉達的 GPU。

·谷歌還發(fā)布了一個名為stim的開源工具，它在模擬糾錯電路時提供了1萬倍的加速。

展望2022年

通過團隊合作、協(xié)作和一些創(chuàng)新科學，谷歌在對2021年取得的進展感到興奮的同時，對2022年寄予厚望。2022年，谷歌將繼續(xù)專注于推進其硬件里程碑、新量子算法的發(fā)現(xiàn)以及實現(xiàn)當今量子處理器上的量子應用。并且，為完成這一艱巨任務，谷歌正擴大其團隊，建立其現(xiàn)有的合作者網(wǎng)絡，并擴大圣巴巴拉校區(qū)。

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