回顾谷歌量子计算的2021：完全纠错颇有成果

商业 C114中国通信网 2022-01-06 10:31

1月5日消息（余予）谷歌量子人工智能团队在2021年取得了丰硕的成果。尽管全球性挑战持续存在，但谷歌在构建完全纠错的量子计算机方面依旧取得了重大进展，并朝着下一个硬件里程碑——构建纠错量子比特原型机努力。

与此同时，谷歌将继续致力于实现量子计算机在各种应用中的潜力。这就是为什么谷歌在顶级期刊上发表研究成果，与学术界和工业界的研究人员合作，并扩大我们的团队以引进新的人才和专业知识。

硬件更新

量子人工智能团队决心在未来十年内构建一台纠错量子计算机，并同时利用其在此过程中学到的知识来提供有用的，甚至是变革性量子计算应用程序。这一长期承诺可概括为量子硬件的三个关键问题：

1.能否证明量子计算机在特定任务中的性能可以超越当今的经典超级计算机？谷歌在2019年展示了“量子优越性”。

2.可以建立一个纠错量子比特的原型吗？为充分发挥量子计算机的潜力，需要实现量子纠错，以克服计算过程中存在的噪声。作为朝这个方向迈出的关键一步，谷歌的目标是通过在多个物理量子位上冗余地编码量子信息来实现量子纠错的原语，证明这种冗余会导致使用单个物理量子位的改进。这是谷歌目前的目标。

3.可以构建一个在任意长时间内都没有错误的逻辑量子位吗？逻辑量子位在多个物理量子位之间对信息进行冗余编码，并且能够减少噪声对整体量子计算的影响。将几千个逻辑量子位放在一起将能够实现量子计算机在各种应用中的潜力。

谷歌构建纠错量子计算机之旅的交互式地图

构建纠错量子比特原型的进展

今天嘈杂的量子计算机与未来完全纠错的量子计算机之间的距离是巨大的。2021 年，谷歌在缩小这一差距方面取得了重要进展，他们构建了一个原型逻辑量子位，其误差小于其芯片上的物理量子位的误差。

这项工作需要对整个量子计算堆栈进行改进。谷歌制造了具有更好量子位的芯片，改进了用来封装这些芯片的方法，以更好地将芯片与控制电子设备连接起来，并开发了同时校准具有几十个量子位的大型芯片的技术。

这些改进最终产生了两个关键结果。首先，谷歌现在能够以高保真度重置他们的量子位，并能够在量子计算中重用量子位。其次，谷歌实现了中间电路测量，使其能够跟踪量子电路内的计算。在谷歌最近使用重复码对位和相位翻转错误进行指数抑制的演示中，高保真重置和中间电路测量被同时使用，随着重复码中量子位数量从5增长到21，对逻辑错误的抑制实现了最多100倍的指数级增长。

重复码是一种纠错工具，使谷歌能够在资源（更多量子比特）和性能（更低错误）之间进行权衡，这将是指导未来硬件研发的核心。2021年，谷歌展示了随着一维代码包含的量子位数量，错误将如何减少。

谷歌目前正在进行实验，以将这些结果扩展到二维表面码，从而更全面地纠正错误。

量子计算的应用

除了构建量子硬件，谷歌团队还在现实世界应用中寻找量子优势的明显边际。谷歌正在学术界和工业界的合作者一起探索量子计算机可以提供显著加速的领域，并有现实的期望，即纠错量子计算机可能需要比二次加速更好的加速才能实现有意义的改进。

2021年谷歌与学术和行业合作伙伴的合作是非常宝贵的。

·2021年12月，谷歌与加州理工学院的一项值得注意的合作表明，在某些条件下，量子机器可以通过比传统要求少得多的实验来了解物理系统。这种新颖的方法通过使用40个量子位和1300个量子操作进行实验验证，即使使用今天的嘈杂型量子处理器，也具有巨大的量子优势。这为量子机器学习和量子传感方面的更多创新铺平了道路，并具有潜在的近期用例。

·2021年6月，谷歌与哥伦比亚大学的研究人员合作，将最强大的化学模拟技术之一——量子蒙特卡罗与量子计算相结合。当在真正的量子计算机上运行这项技术的组件时，能够在不牺牲测量精度的情况下将先前计算的规模扩大一倍，即使在具有16个量子位的设备上存在噪声的情况下也是如此。并且，即使在当今的量子计算机上，这种方法对噪声的恢复能力也表明其具有可扩展性的潜力。

谷歌还研究如何使用量子计算机来模拟量子物理现象——最近，研究人员利用谷歌量子处理器成功制造了时间晶体。这对理论家来说是一个伟大的时刻，他们思考时间晶体的可能性已经近一个世纪。在其他工作中，谷歌与NASA艾姆斯研究中心的合作者共同完成了在台量子计算机上通过实验测量无序相关性，探索量子混沌动力学的出现；并通过与慕尼黑技术大学的合作者使用浅量子电路创建其本征态，实验测量了Toric码哈密顿量基态的纠缠熵。

谷歌感谢合作者为其在2021年的一些最有影响力的研究中做出的贡献，甚至启发了他们。谷歌量子人工智能团队继续专注于机器学习、化学和多体量子物理学，并将在2022年及以后继续与来自世界各地的科学家和研究人员合作，以发现和实现有意义的量子应用。

持续投资量子计算生态系统

2021年，在谷歌年度开发者大会“Google I/O”上，谷歌重申了其在十年内制造出有用的量子计算机所需的路线图和投资的承诺。谷歌承诺，在忙致力于圣巴巴拉发展的同时，还继续通过其开源软件支持量子社区研究人员的发展。谷歌的量子编程框架Cirq在社区的贡献下不断改进。 2021年谷歌还与生态系统中的合作伙伴合作发布了专业工具。其中几项如下：

·与QSimulate合作发布用于量子化学应用的新型费米子量子模拟器，利用量子化学问题中的对称性来提供有效的模拟。

·量子计算机模拟器工具包qsim的重大升级，允许通过谷歌云在GPU等高性能处理器上模拟嘈杂的量子电路，同时，qsim 与英伟达的cuQuantum SDK 集成，使qsim 用户能够在开发量子算法和应用程序时充分利用英伟达的 GPU。

·谷歌还发布了一个名为stim的开源工具，它在模拟纠错电路时提供了1万倍的加速。