Google Quantum AI 實驗室的目標是構(gòu)建可用于解決現(xiàn)實世界問題的量子計算機。我們的策略是使用可以向前兼容到大規(guī)模通用糾錯量子計算機的系統(tǒng)探索近期應(yīng)用。為了使量子處理器能夠運行經(jīng)典計算無法模擬的算法，僅有大量的量子比特是不夠的。關(guān)鍵是，處理器在讀出和邏輯運算（例如單量子比特門或雙量子比特門）上也必須達到較低的錯誤率。

我們在于洛杉磯舉行的美國物理學(xué)會年會上展示了 Google 的新量子處理器 Bristlecone。這個基于門的超導(dǎo)系統(tǒng)的目的是為研究我們量子比特技術(shù)的系統(tǒng)錯誤率和可擴展性以及量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習應(yīng)用提供一個測試平臺。

Bristlecone 是 Google 最新的量子處理器（左）。右側(cè)是設(shè)備的漫畫表示：每個“X”都表示一個具有最近鄰連接的量子比特

此設(shè)備的指導(dǎo)設(shè)計原則是保留我們先前 9 量子比特線性陣列技術(shù)的物理學(xué)基礎(chǔ)1、2，這項技術(shù)取得了我們最好的結(jié)果：讀出錯誤率為 1%、單量子比特門錯誤率為 0.1%，最重要的是，雙量子比特門錯誤率僅為 0.6%。此設(shè)備使用相同的耦合、控制和讀出方案，但已擴展至 72 個量子比特的方形陣列。我們之所以選擇這一規(guī)模的設(shè)備是為了在將來實現(xiàn)量子霸權(quán)，使用表面代碼探索一階和二階糾錯，以及推動實際硬件上的量子算法開發(fā)。

顯示錯誤率與量子比特數(shù)量之間關(guān)系的 2D 概念圖。Quantum AI 實驗室的預(yù)期研究方向以紅色顯示，按照這個方向，我們希望實現(xiàn)近期應(yīng)用目標，并最終構(gòu)建一種實用的糾錯量子計算機

在探索具體的應(yīng)用之前，量化量子處理器的能力至關(guān)重要。我們的理論團隊專門為這項任務(wù)開發(fā)了一個基準測試工具。通過將隨機量子電路應(yīng)用到設(shè)備和對照經(jīng)典模擬檢查采樣的輸出分布，我們可以確定單個系統(tǒng)誤差。如果量子處理器能以足夠低的誤差運行，它可以在明確定義的計算機科學(xué)問題上超越經(jīng)典超級計算機，即實現(xiàn)量子霸權(quán)。這些隨機電路的量子比特數(shù)量和計算長度（深度）都必須足夠大。盡管還沒有人實現(xiàn)這個目標，但我們通過計算確定，只要達到 49 個量子比特、超過 40 的電路深度和低于 0.5% 的雙量子比特門錯誤率，就可以實現(xiàn)量子霸權(quán)。我們認為量子處理器超越超級計算機的實驗性演示將是該領(lǐng)域的分水嶺，也一直是我們的主要目標之一。

Quantum AI 實驗室（圣巴巴拉）的研究員 Marissa Giustina 正在安裝一個 Bristlecone 芯片

我們的目標是在 Bristlecone 的全部 72 個量子比特上實現(xiàn)接近 9 量子比特設(shè)備的最佳錯誤率。我們相信 Bristlecone 將成為構(gòu)建更大規(guī)模量子計算機極具吸引力的原理驗證。在低系統(tǒng)誤差下運行 Bristlecone 之類的設(shè)備需要從軟件、電子控制設(shè)備到處理器本身的完整技術(shù)堆?；ハ鄥f(xié)調(diào)。實現(xiàn)這一點需要在多次迭代間進行細致的系統(tǒng)工程。

我們謹慎樂觀地認為使用 Bristlecone 可以實現(xiàn)量子霸權(quán)，并且感受到學(xué)習以這個級別的性能構(gòu)建和運行設(shè)備是一項令人興奮的挑戰(zhàn)！我們期待未來與大家分享研究成果，并讓協(xié)作者能夠運行實驗。