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谷歌量子计算的2021

光子盒研究院出品

谷歌量子人工智能团队在2021年取得了丰硕的成果。尽管全球性挑战持续存在,但谷歌在构建完全纠错的量子计算机方面仍取得了重大进展,并朝着构建纠错量子比特原型的下一个硬件里程碑而努力。与此同时,谷歌继续致力于实现量子计算机在各种应用中的潜力。这一年,谷歌在顶级期刊上发表了研究成果,与学术界和产业界的研究人员开展了合作,引进了新的人才和专业知识,扩大了团队。

硬件进展

量子人工智能团队决心在未来十年内构建一台纠错量子计算机,并同时利用在此过程中学到的知识来提供有用的(甚至是变革性的)量子计算应用程序。这一长期承诺可以概括为量子硬件的三个关键问题:

1.能否证明量子计算机在特定的任务中可以胜过今天的经典超级计算机?谷歌在2019年率先展示了“量子计算优越性”。

2.可以建立一个纠错量子比特的原型吗?为了充分发挥量子计算机的潜力,我们需要实现量子纠错,以克服计算过程中存在的噪声。作为朝这个方向迈出的关键一步,谷歌旨在通过在多个物理量子比特上冗余编码量子信息来实现量子纠错的原语,证明这种冗余会导致使用单个物理量子比特的改进。这是谷歌目前的目标。

3.能否构建任意长时间内都没有错误的逻辑量子比特?逻辑量子比特在几个物理量子比特之间对信息进行冗余编码,并且能够减少噪声对整个量子计算的影响。把几千个逻辑量子比特放在一起,将使我们能够充分发挥量子计算机在各种应用中的潜力。

构建纠错量子比特原型的进展

今天含噪声的量子计算机与未来完全纠错的量子计算机之间的距离是巨大的。2021年,谷歌在缩小这一差距方面取得了重大进展,他们构建了一个原型逻辑量子比特,其错误率小于芯片上的物理量子比特。

这项工作需要改进整个量子计算堆栈。谷歌制造了具有更好量子比特的芯片,改进了封装这些芯片的方法,以更好地将芯片与控制电子设备连接起来,并开发了同时校准具有几十个量子比特的大型芯片的技术。

这些改进最终产生了两个关键结果。第一,谷歌能够以高保真度重置他们的量子比特,并可以在量子计算中重用量子比特。第二,实现了中间电路测量,使谷歌能够跟踪量子电路内的计算。在谷歌最近使用重复码对比特和相位翻转错误进行指数抑制的演示中,同时使用了高保真复位和中间电路测量,研究人员将重复码基于的量子比特数量从5个提高到21个,对逻辑错误的抑制实现了最多100倍的指数级增长。

重复码是一种纠错工具,使我们能够在资源(更多量子比特)和性能(更低错误率)之间进行权衡,这是指导未来硬件研发的核心。2021年,谷歌展示了随着增加一维码中包含的量子比特数,错误率将如何减少。谷歌目前正在进行实验,以将这些结果扩展到二维表面码,从而更全面地纠正错误。

量子计算的应用

除了构建量子硬件,谷歌团队还在现实世界的应用中寻找明显的量子优势。谷歌正在与学术界和产业界的合作者一起探索量子计算机可以提供显著加速的领域。现实的期望是,纠错量子计算机可能需要比平方加速更好的加速来实现有意义的改进。

2021年6月,谷歌与哥伦比亚大学的研究人员合作,将最强大的化学模拟技术之一——量子蒙特卡罗与量子计算结合起来。能够在不牺牲测量精度的情况下将先前计算的规模扩大一倍,即使在一台最多有16个量子比特的设备上存在噪声的情况下也是如此。即使在今天的量子计算机上,这种方法对噪声的恢复能力也表明了其可扩展性的潜力。

2021年12月,谷歌与加州理工学院的一项合作表明,在某些条件下,量子机器可以从比传统上要求的实验数量少得多的实验中了解物理系统。这一新方法通过使用40个量子比特和1300个量子操作进行实验验证,证明了即使使用我们今天的嘈杂量子处理器,也具有巨大的量子优势。该成果为量子机器学习和量子传感的更多创新铺平了道路,并具有潜在的近期用例。

谷歌还研究了如何使用量子计算机来模拟量子物理现象——最近,研究人员使用谷歌量子处理器成功制造了时间晶体。这对理论家来说是一个伟大的时刻,他们思考时间晶体的可能性已经将近一个世纪了。在其他工作中,谷歌在量子计算机上通过实验测量非时序关联,探索了量子混沌动力学的出现,这是与NASA艾姆斯研究中心的合作者共同完成的;谷歌与慕尼黑工业大学的合作者使用浅量子电路创建其本征态,实验测量了Toric码哈密顿量基态的纠缠熵。

谷歌感谢这些合作者为他们在2021年一些最有影响力的研究做出了贡献,甚至带来了启发。2022年及以后,谷歌量子人工智能团队将一如既往地与来自世界各地的科学家和研究人员合作发现和实现有意义的量子应用,将继续专注于机器学习、化学和多体量子物理学。

持续投资量子计算生态系统

2021年,在谷歌的年度开发者大会GoogleI/O上,谷歌重申了在十年内制造出有用的量子计算机所需的路线图和投资的承诺。谷歌承诺,在致力于圣芭芭拉(谷歌量子人工智能实验室所在地)发展的同时,还继续向量子领域研究人员提供开源软件的支持。谷歌的量子编程框架Cirq在社区的贡献下不断改进。2021年谷歌还与生态系统中的合作伙伴合作发布了专业工具:

1.与QSimulate公司合作发布用于量子化学应用的新型费米子量子仿真器,利用量子化学问题中的对称性来提供有效的模拟。

2.开源模拟软件qsim的重大升级。允许通过谷歌云在高性能处理器(如GPU)上模拟含噪声的量子电路。同时,谷歌宣布qsim与英伟达的cuQuantumSDK集成,使qsim用户在开发量子算法和应用时能够充分利用英伟达的GPU。

3.谷歌还发布了一个名为Stim的开源工具,它在模拟纠错电路时提供了1万倍的加速。

展望2022年

谷歌对2022年寄予厚望,他们将继续专注于推进其硬件里程碑、新量子算法的发现以及实现当今量子处理器上的量子应用。

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01月12日 15:43
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