谷歌量子人工智能实验室的目标是制造可用于解决现实世界难题的量子计算机,其策略是使用与大规模通用纠错量子计算机向前兼容的系统探索近期应用。为了使量子处理器能够运行超出经典模拟范围的算法,仅仅具备大量的量子比特是不够的,关键是处理器在读出和逻辑运算时也必须具备低错误率,如单或双量子比特门。

今天,谷歌量子人工智能实验室在洛杉矶举办的美国物理学会年度会议上推出了全新的量子处理器 Bristlecone,这一基于门的超导系统的目的是为研究系统错误率和量子比特技术的可扩展性以及量子模拟、优化和机器学习应用提供一个测试平台。

谷歌最新的量子处理器 Bristlecone(左) | 设备示意图(右):每个“X”代表一个带有最近邻连接的量子比特

处理器设计指导的原理是保留谷歌原先9量子比特线性阵列技术的物理基础,即读出错误率1%、单量子比特门错误率0.1%和最重要的双量子比特门错误率0.6%是最理想结果。设备使用相同的方案进行耦合,控制和读出,但是被扩展为72个量子位的正方形阵列。谷歌选择了这种尺寸的器件来展示未来的“量子霸权”(quantum supremacy),使用面编码研究一阶和二阶纠错,并促进量子算法在实际硬件上的发展。

二维概念图显示了错误率和量子比特数之间的关系:Quantum AI实验室的预期研究方向以红色显示,希望沿着这个方向实现近期应用并制造实用的纠错量子计算机

在研究具体的应用之前,量化量子处理器的能力非常重要。谷歌量子人工智能实验室的理论团队已经为此完成了一个基准测试工具。我们可以通过将随机量子电路应用于器件并根据经典模拟检查采样输出分布来分配单个系统误差。如果一个量子处理器可以在足够低的误差下运行,它就能够在一个明确的计算机科学问题上超越经典的超级计算机,这个成就被称为“量子霸权”(quantum supremacy)。这些随机电路在量子比特数和计算长度(深度)方面都必须很大。尽管还没有人达到这个目标,但实验室通过计算得出,“量子霸权”能够轻松地在49个量子位,深度超过40的电路,双量子比特误差低于0.5%下展现。谷歌相信量子处理器效能超越超级计算机上的实验性演示将是量子计算领域的分水岭,并且这仍然是他们的关键目标之一。

研究科学家Marissa Giustina在Santa Barbara的Quantum AI实验室安装Bristlecone芯片

实验室现在正在研究在Bristlecone所有72量子比特中实现和9量子比特相似的错误率。他们相信Bristlecone将成为构建更大规模量子计算机引人注目的原理证明。以较低的系统误差操作诸如Bristlecone等设备需要从软件和控制电子设备到处理器本身的全套技术之间的协调。要做到这一点,需要经过多次仔细的系统设计。

谷歌量子人工智能实验室谨慎乐观地认为,“量子霸权”能够在Bristlecone上得以实现,并且感到学习去建造具备这种性能级别的设备是一个令人兴奋的挑战!他们期待分享结果并在未来将允许合作伙伴在此之上运行实验。

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