自从 1980 年代初量子计算机的概念首次被提出以来，科研人员一直期待着这种设备能够解决传统计算机难以应对的难题。
得益于基础理论、技术和材料的进步，在过去五年中，量子计算机终于开始朝这个目标迈出了实质性的步伐。
近日，谷歌在 Nature 上发表的一项最新研究，展示了他们在量子计算领域取得的新进展，为传统计算机和量子计算机之间的竞赛开启了新的篇章。
研究团队使用了名为 Sycamore 的量子处理器进行了深入研究，重点探索了量子计算机在何种条件下能够超越传统（经典）计算机。
图 | 谷歌 Sycamore 处理器（来源：Nature）
谷歌量子计算项目负责人塞尔吉奥·博伊索（Sergio Boixo）对媒体表示，量子计算机并非单纯比传统计算机更快，而是完全不同的计算方式。
这种差异使其未来有望完成传统计算机无法实现的任务，比如精确模拟化学反应。
在这项研究中，研究人员主要关注了量子随机电路采样这一基准测试。
这个过程涉及对量子比特执行一系列操作，并让系统状态随时间演变，其输出在很大程度上取决于量子力学中测量结果的随机性。
当引入足够多的量子比特时，在传统硬件上模拟量子随机电路的性能会变得异常困难。需要了解的是，这种困难正是谷歌最初声称实现“量子优势”（Quantum Supremacy）的基础。
研究团队在长期实验中发现了一个关键的“相变点”，它标志着系统从高噪声状态向低噪声状态的转变。
在高噪声模式下，传统超级计算机仍可以模仿量子计算机的运算。
但当噪声降低到特定阈值以下时，Sycamore 处理器的计算复杂度会达到一个程度，使得传统计算机实际上无法进行模拟。
据估计，即使是世界上最快的超级计算机也需要长达数万亿年的时间。
这一发现得到了量子计算领域专家的认可，美国集成量子计算公司 Quantinuum 的量子计算研究员迈克尔·福斯-费格（Michael Foss-Feig）对媒体表示，谷歌这次很好地澄清并解决了量子随机电路采样中的许多已知问题。
博伊索将量子随机电路的运行比作一场竞赛，这是量子关联传播与破坏性误差之间的较量。
他解释说，这本质上是量子关联（或纠缠）的增长与噪声的对抗。量子门通过最快速度产生纠缠，而噪声则试图破坏这种关联的形成。这种对抗关系决定了量子计算机的性能界限。
中国科学技术大学上海研究院的量子物理学家陆朝阳认为，“量子计算机与传统计算机之间的持续竞争推动了该领域的发展，促使研究人员不断建造更大、更高质量的量子计算机。这种竞争关系也帮助我们更好地理解量子计算机的局限性和潜力。”
值得注意的是，即便在低噪声状态下，量子计算系统仍然可能出现错误。每次操作都存在出错的可能性，而且即使在闲置状态下，量子比特也可能丢失其状态。
研究人员使用交叉熵基准测试，来评估系统的整体保真度。当错误率超过临界点时，它们会迅速中断纠缠过程，这往往会形成两个较小的独立纠缠系统。
他们通过创建两个不同的纠缠量子比特簇来模拟这种情况，这些量子比特簇可以通过一次操作相互纠缠，从而允许他们随意启动或关闭纠缠。
图 | 谷歌 Sycamore 处理器（来源：谷歌）
回顾历史，谷歌在 2019 年曾宣称实现了“量子优势”，声称其 53 量子比特计算机在 200 秒内完成的运算需要传统超级计算机运行 1 万年。
然而，这一说法很快受到质疑。IBM 的研究人员曾回应称，传统超算实际上可以在几天内完成该任务。
今年 6 月，陆朝阳及其同事更是用强大的传统计算机在一分多钟内就完成了相同的运算，用行动推翻了谷歌当时的说法。这些挑战推动谷歌进行了更深入的研究，最终导致了此次突破性发现。
目前，量子计算机还无法取代传统计算机。Sycamore 处理器无法执行常规计算机的典型操作，如存储照片或发送电子邮件。
但这项研究表明，在特定任务上，量子计算机已经开始展现其独特优势。
为了降低温度波动带来的干扰，这种芯片需要在接近绝对零度的超低温环境下运行。
与传统计算机使用的经典比特（只能是 0 或 1）不同，量子计算机依赖于量子比特，这使得它能够以指数级更少的比特数量完成某些任务。
例如，在运行量子随机电路算法时，传统计算机需要 1024 个比特，而量子计算机只需要 10 个量子比特。
这项研究的深远意义不仅在于证明量子随机电路的性能，更在于它为整个量子计算领域提供了新的发展方向。
博伊索强调，如果在这个最简单的基准测试上无法取得优势，那么在其他应用上也不太可能获得突破。
这也解释了为什么谷歌选择专注于改进单一处理器设计，而不是像其他竞争对手那样急于增加量子比特数量。
此外，研究团队还发现，即使是量子比特噪声水平的微小差异，比如从 99.4% 的无错误率提升到 99.7%，也会导致 Sycamore 表现出新状态，类似物质从固态到液态的转变。这一发现对于理解和改进量子计算机的性能来说至关重要。
“噪声的作用是将系统变成更经典的系统。”博伊索对媒体说。一旦运行 67 个量子比特的 Sycamore 升级版超过某个噪声阈值，其随机电路采样输出就无法再用经典方法模拟。
随着量子计算机的不断发展，研究人员希望有朝一日能够建造出足够大且几乎无错误的量子计算机，从而彻底超越当前的量子 VS 经典之争。
但在那一天到来之前，这种竞争将继续推动整个领域的进步。
参考资料：
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
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