量子計算機應用的前景十分光明，相比經典處理器，某些計算任務在量子處理器上執行的速度可能成倍提高。但是人類科技面臨的一個基本的挑戰是，需要構建一種能夠在指數級大的計算空間中執行量子演算法的高保真處理器。

現在谷歌確認給我們帶來了一個好訊息，他們的量子計算機是第一個完成傳統計算機幾乎不可能完成計算的計算機。一種名為Sycamore的超冷量子處理器可以在數秒鐘內完成計算，而世界上最大的超級計算機需要1萬年才能完成。

今年9月，英國《金融時報》和其他媒體首先報道了谷歌量子霸權的訊息。此前與谷歌在量子計算領域合作的美國宇航局局網站上洩露了這篇論文的早期版本，隨後該論文被迅速撤下，當時谷歌並沒有對此發表評論。

現在谷歌的研究結果本週三正式發表在《自然》雜誌上，我們終於可以詳細了解谷歌的最新成果了。加州大學聖巴巴拉分校和加州山景城谷歌實驗室的實驗物理學家約翰·馬提尼斯領導的團隊進行了該項研究。

這種利用量子計算來獲得超越經典計算的結果的能力被稱為“霸權”，自從對該主題的研究開始以來，這種“霸權”能力一直是量子計算的理論優勢。谷歌使用了一個可程式設計超導量子位2,3,4,5,6,7的處理器來建立53個量子位上的量子態，它相當於253維的計算狀態空間。《自然》雜誌的論文稱，由谷歌設計和製作的Sycamore處理器包含一個由54個透射量子位組成的二維陣列，每個量子位可調諧地與它的四個近鄰耦合。量子位以9×6交錯排列。

重複實驗的測量樣本對概率分佈進行取樣，並且經過可經典的模擬驗證。谷歌的Sycamore處理器大約需要200秒的時間來取樣一個量子電路的例項一百萬次。谷歌目前的基準測試表明，對於一個最先進的經典超級計算機，同樣的任務大約需要1萬年。與所有已知的經典演算法相比，這種速度的顯著提高是針對此特定計算任務的量子霸權8、9、10、11、12、13、14的實驗實現，預示著一個人們期待已久的計算範例的誕生。

20世紀80年代早期，理查德·費曼提出量子計算機將是解決物理和化學問題的有效工具，因為用經典計算機模擬大型量子系統的成本是指數級的。想要實現費曼的設想需要大量的實驗和理論挑戰。

首先，需要設計一個量子系統，能夠在一個足夠大的希爾伯特計算空間中以足夠低的錯誤率來提供量子加速；其次，我們能否提出一個對經典計算機來說很難但對量子計算機來說容易的問題?

通過在超導量子位處理器上計算這樣一個基準任務，谷歌解決了以上兩個問題。谷歌的實驗實現了量子霸權，這是邁向全尺度量子計算 8、9、10、11、12、13、14的里程碑。在達到這一里程碑的過程中，谷歌證明了量子加速在真實世界的系統中是可以實現的，並且不受任何隱藏的物理定律的限制。

量子霸權也預示著嘈雜的中級量子(NISQ)技術時代的到來。谷歌演示的基準測試任務可以立即應用於生成可認證的隨機數;這種新的計算能力的其他最初用途可能包括優化16、17、機器學習18、19、20、21、材料科學和化學22、23、24。然而要實現量子計算的全部前景，例如使用Shor的因式分解演算法，仍然需要技術飛躍來設計容錯邏輯量子位25、26、27、28、29。

在谷歌報告提及的開發測試和基準測試階段之後，谷歌研究團隊一直忙於準備在量子物理模擬和量子化學以及機器學習領域的應用。

長期以來，量子霸權一直被科學家視為一個里程碑事件，因為它證明了量子計算機可以超越經典計算機。雖然這一優勢現在只在一個非常具體的例子中得到了證明，但它向物理學家表明，量子力學在處理複雜問題時是按預期工作的。谷歌給了我們第一個實驗證據，證明量子加速在真實世界的系統中是可以實現的。

本文參考資料：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5