一年18篇論文！谷歌Quantum AI團(tuán)隊(duì)2021年度總結(jié)
??新智元報(bào)道??
??新智元報(bào)道??
編輯：LRS
【新智元導(dǎo)讀】谷歌的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的技術(shù)一直都處于世界前沿。最近，他們發(fā)布了2021年的工作總結(jié)，共計(jì)發(fā)布18篇論文，曾經(jīng)提出的「十年打造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)」的小目標(biāo)也在穩(wěn)步實(shí)施。
量子計(jì)算一直被認(rèn)為是下一代工業(yè)革命的引擎，各個(gè)國(guó)家、科技公司都在量子計(jì)算及相關(guān)軟件上加足了馬力進(jìn)行研發(fā)。
?
前段時(shí)間，谷歌的量子AI團(tuán)隊(duì)也對(duì)自己的2021進(jìn)行了總結(jié)。
?
?
研究人員表示，盡管量子計(jì)算仍然是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的課題，但他們?cè)谶^(guò)去的一年中總共發(fā)表了18篇論文，取得了豐碩的成果，尤其是在構(gòu)建完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)（fully error-corrected quantum computer）方面取得了重大進(jìn)展。
?
并且Quantum AI團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始著手研發(fā)下一個(gè)硬件里程碑：糾錯(cuò)量子比特原型機(jī)（error-corrected quantum bit prototype）。
?
硬件革新
硬件革新
糾錯(cuò)量子比特進(jìn)展
糾錯(cuò)量子比特進(jìn)展
目前來(lái)說(shuō)，各式各樣的量子計(jì)算機(jī)與未來(lái)完全糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)之間的差距仍然是巨大的。
?
2021年，谷歌一直致力于構(gòu)建一個(gè)原型邏輯量子位（prototype logical qubit），并將其誤差降低到小于谷歌芯片上物理量子位的誤差，為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展向前推進(jìn)一大步。
?
想要完成這項(xiàng)工作需要改進(jìn)整個(gè)量子計(jì)算堆棧（quantum computing stack），所以谷歌制造了一個(gè)具有更佳量子位的芯片，改進(jìn)了封裝芯片的方法，從而更好地將它們與谷歌的控制電子設(shè)備連接起來(lái)，并開(kāi)發(fā)了同時(shí)校準(zhǔn)具有幾十個(gè)量子位的大型芯片的技術(shù)。
?
這些改進(jìn)最后產(chǎn)生了兩個(gè)關(guān)鍵性的成果。
?
首先，谷歌現(xiàn)在能夠以高保真度重置谷歌的量子位，允許谷歌在量子計(jì)算中重用量子位。
?
其次，谷歌實(shí)現(xiàn)了中間電路測(cè)量（mid-circuit measurements），使谷歌能夠跟蹤量子電路內(nèi)的計(jì)算。
?
在谷歌最近使用重復(fù)代碼（repetition codes）和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行指數(shù)抑制（ exponential suppression of bit and phase flip errors）的演示中，通過(guò)同時(shí)使用高保真復(fù)位（high-fidelity resets）和中間電路測(cè)量，在代碼量從 5 量子位增長(zhǎng)到 21 量子位的情況下，錯(cuò)誤降低了100 倍。
?
?
重復(fù)代碼是一種常用的糾錯(cuò)工具，使得量子計(jì)算機(jī)能夠在資源（更多量子比特）和性能（更低錯(cuò)誤）之間進(jìn)行權(quán)衡，這也是谷歌研發(fā)未來(lái)硬件的核心指導(dǎo)思想。
?
2021，谷歌還研究了隨著一維代碼（1-dimensional code）包含的量子位數(shù)量的增加，錯(cuò)誤是如何減少的。谷歌目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將這些結(jié)果擴(kuò)展到二維表面代碼（2-dimensional surface codes），可以更加全面地糾正錯(cuò)誤。
?
?
量子計(jì)算的應(yīng)用
量子計(jì)算的應(yīng)用
除了構(gòu)建量子硬件，谷歌的團(tuán)隊(duì)還在現(xiàn)實(shí)世界中尋找量子計(jì)算具有明顯優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景。
?
谷歌與在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的從業(yè)者一起探索量子計(jì)算機(jī)可以提供顯著計(jì)算加速的領(lǐng)域，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的效果也很有現(xiàn)實(shí)意義：糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該至少取得二次加速（quadratic speedups）才算有意義的改進(jìn)。
?
谷歌與加州理工學(xué)院的一項(xiàng)合作研究的結(jié)果表明，在某些條件下，量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)比傳統(tǒng)要求少得多的實(shí)驗(yàn)來(lái)了解物理系統(tǒng)（physical systems）。這種新提出的方法使用 40 個(gè)量子位和 1300 個(gè)量子操作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即使使用谷歌目前帶噪聲的量子處理器（noisy quantum operations），也證明了巨大的量子優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子傳感方面的工作鋪平了道。
?
谷歌與哥倫比亞大學(xué)的研究人員合作，將最強(qiáng)大的化學(xué)模擬技術(shù)量子蒙特卡羅與量子計(jì)算相結(jié)合，成功超越了以前的方法，目前已經(jīng)成為基態(tài)多電子計(jì)算（ground state many-electron calculations）的一種有前景的量子方法，對(duì)于創(chuàng)造新材料和理解材料的化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。
?
?
即使在具有多達(dá) 16 個(gè)量子位的計(jì)算設(shè)備存在噪聲的情況下，谷歌也能夠在不犧牲測(cè)量精度的情況下將先前計(jì)算的大小增加一倍。
?
谷歌還繼續(xù)研究了如何使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子物理現(xiàn)象。去年11月30日，谷歌在《自然》雜志上發(fā)表了一篇文章，表示他們已經(jīng)通過(guò)Sycamore量子計(jì)算硬件創(chuàng)建了時(shí)間晶體（time crystal）。
?
?
這對(duì)理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)偉大的時(shí)刻，時(shí)間晶體存在的可能性，他們已經(jīng)思考了近一個(gè)世紀(jì)。
?
在其他工作中，谷歌還與 NASA 艾姆斯研究中心的合作者共同完成了在谷歌的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量無(wú)序相關(guān)性來(lái)探索量子混沌動(dòng)力學(xué)（measuring out-of-time-ordered correlations）。
?
?
與慕尼黑技術(shù)大學(xué)的合作者使用淺量子電路（shallow quantum circuits）創(chuàng)建其本征態(tài)（eigenstates），通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量復(fù)曲面碼哈密頓量基態(tài)的糾纏熵（entanglement entropy of the ground state of the Toric code Hamiltonian）。
?
?
谷歌表示，2021年一些最有影響力的研究成果很多都是跟各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的合作者共同完成的，其中一些也啟發(fā)了谷歌的下一步研究方向。
?
2022年，谷歌Quantum AI將繼續(xù)和其他合作者共同探索和實(shí)現(xiàn)有意義的量子應(yīng)用、量子化學(xué)和多體量子物理學(xué)。
參考資料：
https://blog.google/technology/research/2021-year-review-google-quantum-ai/
