編者按
為了解全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，QIAC量子計算工作組推出“量子計算產(chǎn)業(yè)前線(xiàn)”系列，介紹量子計算行業(yè)的科技巨頭以及頭部企業(yè)。今天我們介紹率先實(shí)現量子優(yōu)越性的公司——谷歌（Google）。
經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，谷歌在量子計算硬件、應用、云平臺等領(lǐng)域都取得了矚目的成績(jì)。
但結合谷歌和IBM的發(fā)展脈絡(luò )，我們也必須指出，當前各路線(xiàn)的量子計算機與未來(lái)通用量子計算機之間的差距仍是巨大的，實(shí)際應用尚需時(shí)日，量子比特數少、噪聲影響不容忽視等問(wèn)題，是今后幾年需要努力攻克的問(wèn)題。
提到量子計算，可能大部分人會(huì )首先想到谷歌（Google）。
2019年，谷歌的在超導量子計算機“懸鈴木”（Sycamore）上進(jìn)行了53比特、20層的量子隨機線(xiàn)路采樣，200秒可進(jìn)行100萬(wàn)次采樣，最終結果的保真度有0.224%。而當時(shí)最強的超算Summit要得到保真度為0.1%的結果，預計需要消耗1萬(wàn)年。
“懸鈴木” 來(lái)源：Nature
盡管這一實(shí)驗公布后受到諸多質(zhì)疑，且在2021年，“中國超算應用團隊”使用新一代神威超級計算機，實(shí)現了隨機量子電路的實(shí)時(shí)模擬，將谷歌量子線(xiàn)路模擬時(shí)間壓縮至304秒，推翻了谷歌的量子優(yōu)越性實(shí)驗結果。
但不可否認，谷歌“懸鈴木”的成果是量子計算領(lǐng)域的里程碑事件，讓量子計算優(yōu)越性從理論變?yōu)楝F實(shí)。
從合作到自主研發(fā)
擴展量子計算商業(yè)應用
相較于IBM，谷歌對量子計算的布局要晚上不少。
2006年，在公司成立第八年的時(shí)候，谷歌首次開(kāi)始思考量子科技領(lǐng)域的問(wèn)題，但直到2012年才成立專(zhuān)門(mén)的量子實(shí)驗室。
巧合的是，正是在這一年，著(zhù)名量子信息科學(xué)家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）提出了“量子霸權”（quantum supremacy）的概念。由于“霸權”一詞存在一定的爭議，現在我們一般用“量子優(yōu)越性”來(lái)表示，指代量子計算機在解決某個(gè)特定問(wèn)題上具有遠超經(jīng)典計算機的能力。
在項目初期，谷歌更關(guān)注軟件相關(guān)的研究，未開(kāi)始研制自己的量子計算機。2013年，谷歌和NASA聯(lián)手購買(mǎi)了D-Wave的一臺量子退火機，并著(zhù)手組建量子人工智能實(shí)驗室。在2014年，谷歌招募了加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校約翰 · 馬丁內斯（John Martinis）團隊，以在量子計算方面發(fā)力。
John Martinis 來(lái)源：Wired
而后，得益于在人工智能領(lǐng)域的積累，谷歌開(kāi)始專(zhuān)注于研發(fā)自己的量子硬件，先后開(kāi)發(fā)出量子計算機實(shí)驗原型、可以同時(shí)控制3個(gè)超導量子比特的量子控制平臺、72個(gè)量子比特的量子處理器“狐尾松”（Bristlecone），發(fā)布了量子芯片自動(dòng)化校準系統Optimus……
5年后，“懸鈴木”問(wèn)世，約翰 · 馬丁內斯領(lǐng)導的團隊，一舉將“量子計算優(yōu)越性”變?yōu)楝F實(shí)。
來(lái)源：谷歌
谷歌在鞏固其量子計算硬件領(lǐng)先地位的同時(shí)，也在探索量子計算的商業(yè)應用前景。
谷歌是較早關(guān)注量子計算云平臺的公司之一，早在2017年之前，便推出了基于云的量子計算服務(wù)平臺，允許相關(guān)領(lǐng)域的研究者遠程訪(fǎng)問(wèn)其量子計算機，探索量子計算在實(shí)際問(wèn)題中的應用。
2017年5月，谷歌發(fā)布了針對云端使用的Cloud TPU芯片，客戶(hù)可以付費租賃使用。
2018年之后，谷歌又相繼開(kāi)發(fā)了應用于NISQ計算機的開(kāi)源Cirq量子計算框架、量子計算開(kāi)源軟件包Open Fermion、量子機器學(xué)習庫Tensor Flow Quantum等，從而支持開(kāi)發(fā)者和客戶(hù)編寫(xiě)量子算法、生成和編譯用于量子計算機的物理方程、甚至訓練量子模型。
2022年7月，谷歌宣布Cirq的第一個(gè)完整版本開(kāi)發(fā)完成，它是為近期的量子計算機設計的一個(gè)用于編寫(xiě)、運行和分析程序結果的Python框架。
Cirq 1.0 來(lái)源：谷歌
與此同時(shí)，谷歌十分重視與產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界進(jìn)行合作，以共同探討量子計算的未來(lái)發(fā)展。
在產(chǎn)業(yè)界，谷歌一方面與量子計算相關(guān)的實(shí)驗室和初創(chuàng )公司合作，如QSimulate、IonQ、AQT、Pasqal等，以利用更多的行業(yè)專(zhuān)業(yè)知識，并將量子計算融入到其公司發(fā)展的生態(tài)中。
另一方面，谷歌也同未來(lái)將受益于量子計算的企業(yè)合作。如2017年，谷歌便與大眾汽車(chē)達成商業(yè)合作，為其提供量子計算服務(wù)，在交通流量?jì)?yōu)化、人工智能、找尋用于改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的電池技術(shù)的材料和結構這三個(gè)方向開(kāi)發(fā)仿真算法；2021年初，谷歌與勃林格殷格翰達成合作，共同探索藥物研發(fā)領(lǐng)域量子計算的前沿應用，特別是在分子動(dòng)力學(xué)模擬領(lǐng)域。
谷歌、勃林格殷格翰及QSimulate合作發(fā)表的論文 來(lái)源：arXiv
在學(xué)術(shù)界，谷歌同哥倫比亞大學(xué)、加州理工學(xué)院等高校的實(shí)驗室均建立了合作。2022年7月，谷歌宣布增加對澳大利亞麥考瑞大學(xué)和悉尼科技大學(xué)的量子計算研究投資，并與悉尼大學(xué)和新南威爾士大學(xué)建立合作，共同探索量子計算在傳感、通信和材料科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應用。
受益于這些合作，谷歌在量子計算領(lǐng)域取得了多個(gè)科學(xué)突破，并確立了其作為量子計算領(lǐng)導者的地位。
基礎研究穩步推進(jìn)
應用尚需時(shí)日
目前含噪聲的量子計算機與理想中的通用量子計算機還存在較大差距，谷歌正在與學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的合作者共同努力，探索現階段量子計算機可解決的實(shí)際問(wèn)題，并已在人工智能、量子模擬等領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
2022年年初，市場(chǎng)研究分析機構CB Insights發(fā)布了一份調查報告，其中提到，谷歌認為人工智能是量子計算機的關(guān)鍵應用。
而考慮到Alphabet（谷歌成立的母公司）的很多業(yè)務(wù)都同涉及到了人工智能，量子人工智能的發(fā)展也將很大程度上推動(dòng)這些業(yè)務(wù)的發(fā)展，如搜索引擎、Waymo、Deepmind。
在基礎研究方面，谷歌也展開(kāi)了較多的探索。2021年5月，谷歌的研究團隊發(fā)文剖析了機器學(xué)習中的量子優(yōu)勢問(wèn)題，并進(jìn)行了迄今為止最大的數字演示（30量子比特）。2022年6月，谷歌及其合作者證實(shí)了機器學(xué)習中的量子優(yōu)越性，并展示了量子人工智能如何幫助科學(xué)家更有效地通過(guò)實(shí)驗學(xué)習物理系統的性質(zhì)。
理解和預篩選潛在量子優(yōu)勢的流程圖 來(lái)源：Nature Communications
在量子模擬方面，谷歌也做出了一定的突破性工作。
2020年8月，谷歌利用量子計算模擬化學(xué)反應的研究登上了《科學(xué)》（Science）封面。谷歌的研究團隊及其合作者用12個(gè)量子比特，在“懸鈴木”上成功模擬了二氮烯的異構化。
在此工作基礎上，谷歌利用量子-經(jīng)典混合算法，于2022年3月完成了16個(gè)量子比特的化學(xué)模擬，展示了量子計算在計算力場(chǎng)參數方面的潛力，這也是迄今為止在量子計算機上進(jìn)行的最大規模的化學(xué)模擬。作為對比，IBM模擬鈹氫化物（BeH2）分子結構的實(shí)驗則僅用了7個(gè)量子比特。
谷歌在“懸鈴木”上用12個(gè)量子比特模擬了二氮烯的異構化學(xué)反應 來(lái)源：Science
谷歌同合作者還實(shí)現了理查德·費曼（Richard Feynman）關(guān)于使用量子計算機模擬量子物質(zhì)的設想——2021年7月，研究團隊使用“懸鈴木”成功制造了時(shí)間晶體。由于時(shí)間晶體的特性，它非常適合用于制造通用量子計算機，確保相干性持續時(shí)間盡可能地長(cháng)。
時(shí)間晶體是一種四維以上的空間晶體晶格，在兩種不同的結構之間來(lái)回循環(huán)時(shí)，不會(huì )損失或使用任何能量 來(lái)源：Quanta Magazine
盡管這些結果令人振奮，但必須認識到，即便是目前最強大的量子計算機，距離實(shí)際應用也還有很長(cháng)的路要走，如目前只能模擬幾個(gè)原子組成的小分子，且精確度有限。
除了量子比特數目，噪音也極大限制著(zhù)量子計算的發(fā)展，量子糾錯（QEC）被視為實(shí)現可容錯通用量子計算的核心問(wèn)題。谷歌對此問(wèn)題投入了相當多的關(guān)注，其量子人工智能團隊正在為十年內構建一臺容錯量子計算機的目標而努力。
下一個(gè)硬件里程碑
糾錯量子比特原型機
同經(jīng)典計算機類(lèi)似，量子計算機很容易因為底層物理系統的“噪音”導致錯誤，但經(jīng)典的糾錯方案并不適用于量子計算機——由于其物理原理，任何檢測都會(huì )破壞量子態(tài)，從而對量子計算產(chǎn)生干擾。
而這也是目前限制已有量子計算機發(fā)揮更多作用的重要原因之一。因此，需要通過(guò)量子糾錯這一手段，將計算中發(fā)生的錯誤消除，進(jìn)而構建通用的量子計算機。
現階段，糾錯量子計算最有希望的協(xié)議是阿列克謝·基塔耶夫（Alexei Kitaev）在1997年提出的表面碼（surface code）。表面碼可以容許相對較高的物理錯誤率，并且在兩維布局中只需要幾何上局域的處理，但其所需要的物理量子比特以及物理門(mén)的數目相當驚人。
谷歌在2019年發(fā)文，評估將表面碼應用于破解RSA算法所需的資源。研究團隊分析后指出，量子計算機能夠在8小時(shí)內破解2048位RSA加密算法，但需要2000萬(wàn)個(gè)量子比特。其中只有極少數用于計算，即所謂的邏輯量子比特，絕大多數都用于糾錯，以此用來(lái)補償退相干問(wèn)題。
針對破解不同長(cháng)度RSA加密算法所需的資源和時(shí)間預估 來(lái)源：arXiv
谷歌認為，量子糾錯是量子計算機發(fā)展過(guò)程中必須攻克的難題。
2020年9月，谷歌發(fā)布了量子計算路線(xiàn)圖，計劃以102、103、104、105、106量子比特為里程碑，逐步擴展量子計算機的規模，并在2029年前實(shí)現包含100萬(wàn)個(gè)物理量子比特、具備糾錯能力的計算機。
此外，谷歌于2021年5月開(kāi)始啟用量子人工智能園區，以加速發(fā)展硬件的同時(shí)開(kāi)發(fā)具有變革性的量子計算機應用程序。
谷歌量子計算硬件發(fā)展路線(xiàn)圖 來(lái)源：谷歌
谷歌的量子計算發(fā)展路線(xiàn)圖包括了六個(gè)重要的里程碑事件，其中第一個(gè)里程碑（即證明量子優(yōu)越性），已經(jīng)在2019年實(shí)現。
第二個(gè)里程碑是擴大量子計算機的系統規模，同時(shí)實(shí)現并證明量子糾錯有效。
2021年7月，谷歌基于“懸鈴木”實(shí)現了量子計算錯誤抑制的指數級增長(cháng)。研究團隊利用21個(gè)量子比特（其中11個(gè)為數據比特，10個(gè)為用于探測錯誤的輔助比特），做了接連50輪癥狀測量，每次花費大約1毫秒，其中大部分時(shí)間用于重置輔助量子比特來(lái)為下一輪癥狀測量做準備。結果發(fā)現，碼距每增大4，偏相導致的邏輯錯誤率就降低到大約10%，同基于設備噪聲給出的預期相符合。
谷歌量子人工智能團隊的首席工程師埃里克·盧塞羅（Erik Lucero）指出：“我們展示了目前推進(jìn)的糾錯方法是可行的，但只實(shí)現了一個(gè)維度，真正的里程碑2.0應該是兩個(gè)維度?！币虼?，他將此結果定位成“里程碑1.5”。
重復碼的邏輯錯誤 來(lái)源：Nature
谷歌還展開(kāi)了其他量子糾錯相關(guān)的工作。
2021年12月，谷歌及合作者使用高度可控的量子處理器來(lái)模擬復曲面碼哈密頓量的基態(tài)，發(fā)現這種拓撲有序的狀態(tài)可以通過(guò)實(shí)現新的糾錯方式來(lái)改進(jìn)量子計算機。
另一項工作則是證明了宇宙射線(xiàn)會(huì )導致超導量子比特出錯，并提出了一種可擴展、抗噪聲的量子-經(jīng)典混合算法。
宇宙射線(xiàn)對超導量子比特影響實(shí)驗采用示意圖 來(lái)源：Nature
在量子糾錯方面，谷歌目前的研究以表面碼為主，但也開(kāi)展了其他糾錯相關(guān)的項目，以得到最佳方案。
2022年7月，谷歌突破了量子糾錯的盈虧平衡點(diǎn)，首次實(shí)現量子計算機的錯誤率隨著(zhù)比特數增加而降低，證明了超導量子比特系統的性能足以克服增加量子比特數量帶來(lái)的額外錯誤。這篇由158位科學(xué)家共同撰寫(xiě)的文章，幫助谷歌向量子計算發(fā)展路線(xiàn)圖的第二個(gè)里程碑繼續推進(jìn)。
表面碼中的錯誤檢測 來(lái)源：arXiv
第二個(gè)里程碑完成之后，谷歌的第三個(gè)里程碑是實(shí)現糾錯邏輯量子比特；第四個(gè)里程碑是量子晶體管，即將兩個(gè)邏輯量子比特（由1000個(gè)量子比特構成）組合在一起；第五個(gè)里程碑是將該系統擴展到10萬(wàn)個(gè)量子比特（其中約有100個(gè)邏輯量子比特）；第六個(gè)里程碑便是制造出包含有約100萬(wàn)個(gè)量子比特的糾錯邏輯量子比特的完全體，這可能就是通用量子計算機。
來(lái)源：谷歌
可見(jiàn)，在谷歌量子計算發(fā)展的線(xiàn)路規劃中，量子比特數的增加和量子糾錯是同步推進(jìn)的，而兩者都需要時(shí)間和技術(shù)的積累。
我們期待在2030年前見(jiàn)證第一臺量子計算機的問(wèn)世，也對今后幾年間量子計算領(lǐng)域將涌現的眾多成果充滿(mǎn)好奇。