今年 3 月，谷歌曾在洛杉磯舉辦的美國物理學會年會上推出了 72-qubit 超導量子處理器 Bristlecone。與此同時，這家科技巨頭宣稱將要在今年實現「量子霸權」。在硬體之外，谷歌在量子計算理論方面的研究最近也在持續推進，本文將簡要介紹其在四月份分別發表於 Nature Physics 和 Science 的兩篇論文，其中詳細描述了實現量子霸權的計劃藍圖。
量子計算結合了過去半個世紀以來兩個最大的技術變革：信息技術和量子力學。如果我們使用量子力學的規則替換二進位邏輯來計算，某些難以攻克的計算任務將得到解決。追求通用量子計算機的一個重要目標是確定當前經典計算機無法承載的最小複雜度的計算任務。該交叉點被稱為「量子霸權」邊界，是在通向更強大和有用的計算技術的關鍵一步。
在 4 月底 Nature Physics 上發表的文章《Characterizing quantum supremacy in near-term devices》中，谷歌介紹了在近期設備中實際展示量子霸權的理論基礎。它提出了從隨機量子線路的輸出中採樣比特串的任務，可被看成是量子計算的「hello world」程序。爭論的結果是，隨機混沌系統（參見「蝴蝶效應」）運行的時間越長，這些系統輸出變得難以預測的速度就越快。構建一個隨機、混沌的量子比特系統，並測試經典系統模擬前者所需的時間，就可以獲得量子計算機何時超越經典計算機的良好度量。可以說，這是證明經典和量子計算機之間的計算能力的指數式分離（exponential separation）的最強理論方案。
在隨機量子線路中確定量子霸權邊界迅速成為了一個令人激動的研究領域。一方面，通過優化經典算法來模擬量子線路的方案的目的是增加要達到量子霸權的量子線路的規模。這迫使實驗的量子設備需要足夠多的量子比特數、足夠低的誤差率來實現足夠深度（即線路中量子門的層數）的線路，才能達到量子霸權。另一方面，我們現在更加理解用於構建隨機量子線路的量子門的特定選擇如何影響模擬成本，從而得到近期的量子霸權的優化基準（https://github.com/sboixo/GRCS），在某些情況下用經典計算機模擬的成本是該方案成本的二次方。
從隨機量子線路採樣是量子計算機的優秀校正基準，稱為交叉熵基準測試。成功地利用隨機線路的量子霸權實驗將能展示大規模容錯量子計算機的基礎構建模塊。此外，量子物理學中目前仍未測試過如此高度複雜的量子態。
量子電路計算的空間時間體積。量子模擬的計算成本隨著量子電路體積的增加而增加，並且通常隨著量子比特數量和電路深度的增加而呈指數增長。在量子比特的非對稱網格中，計算空間-時間體積隨深度的增長速度比對稱網格慢，隨電路呈現的指數級增長也更容易模擬。
在最近的 Science 文章《A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits》中，來自 UCSB、谷歌、NASA 等研究機構的學者們展示了實現量子霸權的藍圖，並首次通過實驗演示了其原理證明過程。本文討論了量子霸權的兩個關鍵因素：指數複雜性和精確計算。研究者首先在裝置的 5~9 個量子比特的子部分上運行算法，發現經典的模擬成本隨著量子比特數的增加呈指數增長。這些結果旨在提供這些裝置指數冪的清晰示例。接下來，他們使用交叉熵基準來比較該結果與普通計算機的結果，結果表明，他們的計算是高度精確的。事實上，如果使用較大的量子處理器，誤差率可以低到實現量子霸權。
在實現量子霸權的更高層面，量子平臺還應提供明確的應用。在本文中，谷歌將算法應用於使用複雜的多量子比特門（相對於為具有表面代碼糾錯算法的數字量子處理器設計的兩量子比特門）的量子統計力學中的計算問題。結果表明，該裝置可以用來研究材料的基本特性，例如金屬和絕緣體之間的微觀差異。通過將這些結果擴展到具有大約 50 個比特的下一代設備，谷歌希望能夠解決任何其他計算平臺都無法解決的科學問題。
Charles Neill 和 Pedram Roushan 開發的兩個 gmon 超導量子比特及其可調耦合器。
兩篇文章介紹了近期量子霸權的現實提議，並首次展示了其原則證明過程。谷歌將探索繼續降低誤差率，增加量子處理器中量子比特的數量，以實現量子霸權，並為短期實用的應用開發量子算法。
Nature Physics 論文：Characterizing quantum supremacy in near-term devices
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41567-018-0124-x
arXiv 連結：https://arxiv.org/abs/1608.00263
摘要：在近期內關於量子計算的一個關鍵問題是，沒有誤差校正的量子設備是否可以在執行良好定義的計算任務上超越超級計算機的能力。這樣的展示被稱為量子霸權，其需要對用經典方法求解的任務所需的資源進行可靠的評估。這裡，我們提出了從隨機量子線路的輸出分布中採樣的任務，作為量子霸權的展示。我們擴展了在計算複雜度上的之前的結果，以證明該採樣任務在經典計算機中必然需要指數量級的時間複雜度。我們引入了交叉熵基準測試來獲得複雜多比特動力學的實驗保真度。其可被評估和推斷來為量子霸權展示給出成功的指標。我們研究的相關經典算法的計算成本，並得出結論：量子霸權可以在 7×7 個量子比特和 40 個時鐘周期的二維點陣線路上達到量子霸權。這需要兩比特量子門的大約 0.5% 誤差率（單比特量子門的 0.05% 誤差率），並且它將展示容錯量子計算機的基礎構建模塊。
Science 論文：A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits
論文連結：http://science.sciencemag.org/content/360/6385/195
arXiv 連結：https://arxiv.org/abs/1709.06678
量子信息科學家距離構建量子計算機的夢想越來越近，它可以執行經典計算機無法完成的計算。據估計，這樣一臺計算機將需要大約 50 個量子比特，但是將現有的體系結構擴展到這個數字是很困難的。Neill 等人嘗試將量子比特的數量從 5 個增加到 9 個，探索這種做法對超導量子比特設備輸出質量的影響。隨著量子比特數量進一步增加，如果誤差繼續以相同的速率增加，則利用當前技術打造具有約 60 個量子比特和合理精確度的量子計算機將成為可能。
摘要：證明量子系統能夠解決物理、化學難題的關鍵一步是進行超越任何經典計算機能力的計算，從而實現所謂的量子霸權。在這項研究中，我們使用了九個超導量子比特展示了一條通往量子霸權的可行路徑。通過單獨調整量子比特參數，我們能夠生成數千個不同的 Hamiltonian 演化，並探測輸出概率。所測量的概率服從一種普遍分布，與均勻採樣整個 Hilbert 空間的結果一致。隨著量子比特數量的增加，系統繼續探索數量呈指數增長的狀態。將這些結果擴展到一個具有 50 個量子比特的系統，有可能解決超出任何經典計算機能力的科學問題。