回顧谷歌量子計(jì)算的2021：完全糾錯(cuò)頗有成果

  ICC訊  谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)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(cuò)的量子計(jì)算機(jī)方面依舊取得了重大進(jìn)展，并朝著下一個(gè)硬件里程碑——構(gòu)建糾錯(cuò)量子比特原型機(jī)努力。

  與此同時(shí)，谷歌將繼續(xù)致力于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)在各種應(yīng)用中的潛力。這就是為什么谷歌在頂級(jí)期刊上發(fā)表研究成果，與學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員合作，并擴(kuò)大我們的團(tuán)隊(duì)以引進(jìn)新的人才和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

  硬件更新

  量子人工智能團(tuán)隊(duì)決心在未來(lái)十年內(nèi)構(gòu)建一臺(tái)糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，并同時(shí)利用其在此過(guò)程中學(xué)到的知識(shí)來(lái)提供有用的，甚至是變革性量子計(jì)算應(yīng)用程序。這一長(zhǎng)期承諾可概括為量子硬件的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

  1.能否證明量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)中的性能可以超越當(dāng)今的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)?谷歌在2019年展示了“量子優(yōu)越性”。

  2.可以建立一個(gè)糾錯(cuò)量子比特的原型嗎?為充分發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)的潛力，需要實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，以克服計(jì)算過(guò)程中存在的噪聲。作為朝這個(gè)方向邁出的關(guān)鍵一步，谷歌的目標(biāo)是通過(guò)在多個(gè)物理量子位上冗余地編碼量子信息來(lái)實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的原語(yǔ)，證明這種冗余會(huì)導(dǎo)致使用單個(gè)物理量子位的改進(jìn)。這是谷歌目前的目標(biāo)。

  3.可以構(gòu)建一個(gè)在任意長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有錯(cuò)誤的邏輯量子位嗎?邏輯量子位在多個(gè)物理量子位之間對(duì)信息進(jìn)行冗余編碼，并且能夠減少噪聲對(duì)整體量子計(jì)算的影響。將幾千個(gè)邏輯量子位放在一起將能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算機(jī)在各種應(yīng)用中的潛力。

  谷歌構(gòu)建糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)之旅的交互式地圖

  構(gòu)建糾錯(cuò)量子比特原型的進(jìn)展

  今天嘈雜的量子計(jì)算機(jī)與未來(lái)完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)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(jìn)展，他們構(gòu)建了一個(gè)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(xiàng)工作需要對(duì)整個(gè)量子計(jì)算堆棧進(jìn)行改進(jìn)。谷歌制造了具有更好量子位的芯片，改進(jìn)了用來(lái)封裝這些芯片的方法，以更好地將芯片與控制電子設(shè)備連接起來(lái)，并開(kāi)發(fā)了同時(shí)校準(zhǔn)具有幾十個(gè)量子位的大型芯片的技術(shù)。

  這些改進(jìn)最終產(chǎn)生了兩個(gè)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(jì)算中重用量子位。其次，谷歌實(shí)現(xiàn)了中間電路測(cè)量，使其能夠跟蹤量子電路內(nèi)的計(jì)算。在谷歌最近使用重復(fù)碼對(duì)位和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行指數(shù)抑制的演示中，高保真重置和中間電路測(cè)量被同時(shí)使用，隨著重復(fù)碼中量子位數(shù)量從5增長(zhǎng)到21，對(duì)邏輯錯(cuò)誤的抑制實(shí)現(xiàn)了最多100倍的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

  重復(fù)碼是一種糾錯(cuò)工具，使谷歌能夠在資源(更多量子比特)和性能(更低錯(cuò)誤)之間進(jìn)行權(quán)衡，這將是指導(dǎo)未來(lái)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(cuò)誤將如何減少。

  谷歌目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以將這些結(jié)果擴(kuò)展到二維表面碼，從而更全面地糾正錯(cuò)誤。

  量子計(jì)算的應(yīng)用

  除了構(gòu)建量子硬件，谷歌團(tuán)隊(duì)還在現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用中尋找量子優(yōu)勢(shì)的明顯邊際。谷歌正在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合作者一起探索量子計(jì)算機(jī)可以提供顯著加速的領(lǐng)域，并有現(xiàn)實(shí)的期望，即糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)可能需要比二次加速更好的加速才能實(shí)現(xiàn)有意義的改進(jìn)。

  2021年谷歌與學(xué)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(xué)院的一項(xiàng)值得注意的合作表明，在某些條件下，量子機(jī)器可以通過(guò)比傳統(tǒng)要求少得多的實(shí)驗(yàn)來(lái)了解物理系統(tǒng)。這種新穎的方法通過(guò)使用40個(gè)量子位和1300個(gè)量子操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shì)。這為量子機(jī)器學(xué)習(xí)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(xué)的研究人員合作，將最強(qiáng)大的化學(xué)模擬技術(shù)之一——量子蒙特卡羅與量子計(jì)算相結(jié)合。當(dāng)在真正的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行這項(xiàng)技術(shù)的組件時(shí)，能夠在不犧牲測(cè)量精度的情況下將先前計(jì)算的規(guī)模擴(kuò)大一倍，即使在具有16個(gè)量子位的設(shè)備上存在噪聲的情況下也是如此。并且，即使在當(dāng)今的量子計(jì)算機(jī)上，這種方法對(duì)噪聲的恢復(fù)能力也表明其具有可擴(kuò)展性的潛力。

  谷歌還研究如何使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)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(shí)間晶體。這對(duì)理論家來(lái)說(shuō)是一個(gè)偉大的時(shí)刻，他們思考時(shí)間晶體的可能性已經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)。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(tái)量子計(jì)算機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量無(wú)序相關(guān)性，探索量子混沌動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn);并通過(guò)與慕尼黑技術(shù)大學(xué)的合作者使用淺量子電路創(chuàng)建其本征態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xiàn)，甚至啟發(fā)了他們。谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)繼續(xù)專(zhuān)注于機(jī)器學(xué)習(xí)、化學(xué)和多體量子物理學(xué)，并將在2022年及以后繼續(xù)與來(lái)自世界各地的科學(xué)家和研究人員合作，以發(fā)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)有意義的量子應(yīng)用。

  持續(xù)投資量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)

  2021年，在谷歌年度開(kāi)發(fā)者大會(huì)“Google I/O”上，谷歌重申了其在十年內(nèi)制造出有用的量子計(jì)算機(jī)所需的路線(xiàn)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(shí)，還繼續(xù)通過(guò)其開(kāi)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(xiàn)下不斷改進(jìn)。 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(zhuān)業(yè)工具。其中幾項(xiàng)如下：

  ·與QSimulate合作發(fā)布用于量子化學(xué)應(yīng)用的新型費(fèi)米子量子模擬器，利用量子化學(xué)問(wèn)題中的對(duì)稱(chēng)性來(lái)提供有效的模擬。

  ·量子計(jì)算機(jī)模擬器工具包qsim的重大升級(jí)，允許通過(guò)谷歌云在GPU等高性能處理器上模擬嘈雜的量子電路，同時(shí)，qsim 與英偉達(dá)的cuQuantum SDK 集成，使qsim 用戶(hù)能夠在開(kāi)發(fā)量子算法和應(yīng)用程序時(shí)充分利用英偉達(dá)的 GPU。

  ·谷歌還發(fā)布了一個(gè)名為stim的開(kāi)源工具，它在模擬糾錯(cuò)電路時(shí)提供了1萬(wàn)倍的加速。

  展望2022年

  通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作、協(xié)作和一些創(chuàng)新科學(xué)，谷歌在對(duì)2021年取得的進(jìn)展感到興奮的同時(shí)，對(duì)2022年寄予厚望。2022年，谷歌將繼續(xù)專(zhuān)注于推進(jìn)其硬件里程碑、新量子算法的發(fā)現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)當(dāng)今量子處理器上的量子應(yīng)用。并且，為完成這一艱巨任務(wù)，谷歌正擴(kuò)大其團(tuán)隊(duì)，建立其現(xiàn)有的合作者網(wǎng)絡(luò)，并擴(kuò)大圣巴巴拉校區(qū)。