自從 1980 年代初量子計算機的概念首次被提出以來，科研人員一直期待着這種裝置能夠解決傳統計算機難以應對的難題。
得益于基礎理論、技術和材料的進步，在過去五年中，量子計算機終于開始朝這個目标邁出了實質性的步伐。
近日，谷歌在 Nature 上發表的一項最新研究，展示了他們在量子計算領域取得的新進展，為傳統計算機和量子計算機之間的競賽開啟了新的篇章。
研究團隊使用了名為 Sycamore 的量子處理器進行了深入研究，重點探索了量子計算機在何種條件下能夠超越傳統（經典）計算機。
圖 | 谷歌 Sycamore 處理器（來源：Nature）
谷歌量子計算項目負責人塞爾吉奧·博伊索（Sergio Boixo）對媒體表示，量子計算機并非單純比傳統計算機更快，而是完全不同的計算方式。
這種差異使其未來有望完成傳統計算機無法實作的任務，比如精确模拟化學反應。
在這項研究中，研究人員主要關注了量子随機電路采樣這一基準測試。
這個過程涉及對量子比特執行一系列操作，并讓系統狀态随時間演變，其輸出在很大程度上取決于量子力學中測量結果的随機性。
當引入足夠多的量子比特時，在傳統硬體上模拟量子随機電路的性能會變得異常困難。需要了解的是，這種困難正是谷歌最初聲稱實作“量子優勢”（Quantum Supremacy）的基礎。
研究團隊在長期實驗中發現了一個關鍵的“相變點”，它标志着系統從高噪聲狀态向低噪聲狀态的轉變。
在高噪聲模式下，傳統超級計算機仍可以模仿量子計算機的運算。
但當噪聲降低到特定門檻值以下時，Sycamore 處理器的計算複雜度會達到一個程度，使得傳統計算機實際上無法進行模拟。
據估計，即使是世界上最快的超級計算機也需要長達數萬億年的時間。
這一發現得到了量子計算領域專家的認可，美國內建量子計算公司 Quantinuum 的量子計算研究員邁克爾·福斯-費格（Michael Foss-Feig）對媒體表示，谷歌這次很好地澄清并解決了量子随機電路采樣中的許多已知問題。
博伊索将量子随機電路的運作比作一場競賽，這是量子關聯傳播與破壞性誤差之間的較量。
他解釋說，這本質上是量子關聯（或糾纏）的增長與噪聲的對抗。量子門通過最快速度産生糾纏，而噪聲則試圖破壞這種關聯的形成。這種對抗關系決定了量子計算機的性能界限。
中國科學技術大學上海研究院的量子實體學家陸朝陽認為，“量子計算機與傳統計算機之間的持續競争推動了該領域的發展，促使研究人員不斷建造更大、更高品質的量子計算機。這種競争關系也幫助我們更好地了解量子計算機的局限性和潛力。”
值得注意的是，即便在低噪聲狀态下，量子計算系統仍然可能出現錯誤。每次操作都存在出錯的可能性，而且即使在閑置狀态下，量子比特也可能丢失其狀态。
研究人員使用交叉熵基準測試，來評估系統的整體保真度。當錯誤率超過臨界點時，它們會迅速中斷糾纏過程，這往往會形成兩個較小的獨立糾纏系統。
他們通過建立兩個不同的糾纏量子比特簇來模拟這種情況，這些量子比特簇可以通過一次操作互相糾纏，進而允許他們随意啟動或關閉糾纏。
圖 | 谷歌 Sycamore 處理器（來源：谷歌）
回顧曆史，谷歌在 2019 年曾宣稱實作了“量子優勢”，聲稱其 53 量子比特計算機在 200 秒内完成的運算需要傳統超級計算機運作 1 萬年。
然而，這一說法很快受到質疑。IBM 的研究人員曾回應稱，傳統超算實際上可以在幾天内完成該任務。
今年 6 月，陸朝陽及其同僚更是用強大的傳統計算機在一分多鐘内就完成了相同的運算，用行動推翻了谷歌當時的說法。這些挑戰推動谷歌進行了更深入的研究，最終導緻了此次突破性發現。
目前，量子計算機還無法取代傳統計算機。Sycamore 處理器無法執行正常計算機的典型操作，如存儲照片或發送電子郵件。
但這項研究表明，在特定任務上，量子計算機已經開始展現其獨特優勢。
為了降低溫度波動帶來的幹擾，這種晶片需要在接近絕對零度的超低溫環境下運作。
與傳統計算機使用的經典比特（隻能是 0 或 1）不同，量子計算機依賴于量子比特，這使得它能夠以指數級更少的比特數量完成某些任務。
例如，在運作量子随機電路算法時，傳統計算機需要 1024 個比特，而量子計算機隻需要 10 個量子比特。
這項研究的深遠意義不僅在于證明量子随機電路的性能，更在于它為整個量子計算領域提供了新的發展方向。
博伊索強調，如果在這個最簡單的基準測試上無法取得優勢，那麼在其他應用上也不太可能獲得突破。
這也解釋了為什麼谷歌選擇專注于改進單一處理器設計，而不是像其他競争對手那樣急于增加量子比特數量。
此外，研究團隊還發現，即使是量子比特噪聲水準的微小差異，比如從 99.4% 的無錯誤率提升到 99.7%，也會導緻 Sycamore 表現出新狀态，類似物質從固态到液态的轉變。這一發現對于了解和改進量子計算機的性能來說至關重要。
“噪聲的作用是将系統變成更經典的系統。”博伊索對媒體說。一旦運作 67 個量子比特的 Sycamore 更新版超過某個噪聲門檻值，其随機電路采樣輸出就無法再用經典方法模拟。
随着量子計算機的不斷發展，研究人員希望有朝一日能夠建造出足夠大且幾乎無錯誤的量子計算機，進而徹底超越目前的量子 VS 經典之争。
但在那一天到來之前，這種競争将繼續推動整個領域的進步。
參考資料：
https://arstechnica.com/science/2024/10/google-identifies-low-noise-phase-transition-in-its-quantum-processor/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03288-3
營運/排版：何晨龍