实现量子霸权

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员/谷歌科学家约翰·马提尼斯的团队已经实现了他们对量子霸权的主张。利用53个纠缠量子比特(“量子位”)，他们的梧桐树计算机解决了一个被认为是经典计算机难以解决的问题。

“在经典的超级计算机上需要1万年才能完成的计算，在我们的量子计算机上只需要200秒，”Martinis小组的研究生研究员布鲁克斯·福克斯(Brooks Foxen)说。“经典的模拟时间，目前估计是1万年，可能会通过改进经典的硬件和算法来减少，但是，由于我们现在快了1.5万亿倍，我们很高兴宣布这一成就。”

《自然》杂志的一篇论文概述了这一壮举。

里程碑是经过大约两年的量子计算马提尼和他的研究小组进行的研究,从一个超导量子位系统的开发包括72年架构,无花果,54个量子位(一个没有执行),利用令人敬畏和奇异的量子力学的性质。

马丁尼小组的另一位研究生研究员本·恰罗(Ben Chiaro)说:“选择这种算法是为了通过利用量子计算机的自然动态来强调它的优势。”也就是说，研究人员想测试计算机持有和快速处理大量复杂、非结构化数据的能力。

“我们基本上想产生一个涉及我们所有的量子比特的纠缠态尽快我们可以,”Foxen说,“所以我们选定了一个序列的操作产生了复杂的叠加态,当测量时,返回输出的概率(“位”)由特定的操作序列用于准备特定的叠加。”这个实验是为了验证电路的输出是否与用来准备状态的序列相一致，在短短几分钟内对量子电路进行了100万次采样，在系统失去量子相干性之前探索所有的可能性。

“我们进行了一组固定的操作，使53个量子位元纠缠在一个复杂的叠加态中，”Chiaro解释说。这种叠加状态编码了概率分布。对于量子计算机，准备这种叠加态是通过在几微秒内对每个量子位施加数十个控制脉冲序列来完成的。我们可以在200秒内测量100万次量子位元，然后从这个分布中提取样本。”

“经典计算机,更很难计算这些操作的结果,因为它需要计算的概率在任何的一个2 ^ 53个可能状态,其中53来自量子位的数量——指数标度是为什么人们感兴趣的量子计算,“Foxen说。“这是通过矩阵乘法来实现的，当矩阵变大时，这对于传统的计算机来说是很昂贵的。”

根据这篇新论文，研究人员使用了一种称为交叉熵基准的方法，将量子电路的位串与其“在经典计算机上模拟计算出的相应理想概率”进行比较，以确定量子计算机工作正常。

Chiaro说:“我们在开发处理器的过程中做了很多非常有利的设计选择。”他说，这些优点之一是能够通过实验调整单个量子位元的参数以及它们之间的相互作用。

虽然这个实验被选为计算机的概念验证，但研究已经产生了一个非常真实和有价值的工具:一个经过认证的随机数生成器。随机数在很多领域都很有用，它可以确保加密密钥不会被猜出，或者确保来自更大范围内的样本具有真正的代表性，从而为复杂问题提供最佳解决方案，并使机器学习应用程序更加健壮。量子电路产生随机位串的速度是如此之快，以至于没有时间去分析和“欺骗”系统。

加州大学圣巴巴拉分校负责研究的副校长Joe Incandela评论道:“量子力学状态所做的事情超出了我们的日常经验，因此有潜力提供原本无法实现的能力和应用。”“该团队已经证明了可靠地创建和重复采样包含53个纠缠元素的复杂量子态的能力，从而完成一个需要数千年才能完成的经典超级计算机的实验。这是一项重大成就。我们正处在一个获取知识的新时代的开端。”

展望
和“量子霸权”这样的成就，很容易让人认为加州大学圣巴巴拉分校/谷歌的研究人员将插上他们的旗帜，安心休息。但对于Foxen、Chiaro、Martinis和UCSB/谷歌AI量子组的其他成员来说，这仅仅是个开始。

“这是一种持续改进的心态，”Foxen说。“项目总是在进行中。在短期内，对这些“有噪声的”量子位元的进一步改进可能会使量子力学中有趣现象的模拟成为可能，比如热化，或者在材料和化学领域中大量的可能性。

然而，从长远来看，科学家们总是希望提高相干时间，或者，在另一端，检测并修复错误，这将需要对每个量子位元检查许多额外的量子位元。这些努力与量子计算机的设计和建造并行进行，确保研究人员在达到下一个里程碑之前有大量工作要做。

“和这支球队在一起是一种荣誉和快乐，”恰罗说。“这是一个强大的技术贡献者集合和伟大的领导和整个团队真的协同工作。”