谷歌這個“無所不能先生”近日宣布，在功能齊全的實用量子計算機研發上取得了重大進步，實現了量子霸權（優勢），即超越目前世界排名第一的超級計算機。

谷歌的量子計算機叫Sycamore，在一個復雜的基準測試中，僅用6秒就完成了世界上最快的超級計算機Frontier需要花47年時間才能完成的計算任務。這是一個令人震驚的進步，顯示了量子計算技術的無限可能。那么，谷歌是如何做到這一點的呢？

• 量子比特

首先我們需要簡單了解一下量子比特。量子比特是量子計算機中的信息單元，它們可以同時存在于0和1的狀態，從而增加了計算能力。你可以把它們想象成一個硬幣，但與眾不同的是，它可以同時是正面又是反面，而不只是其中之一。

這雖然很難理解，但這正是量子領域的魔力，這種現象叫做量子疊加，正因為這種“魔力”般的特性存在，使量子計算機可以同時處理超大規模的信息。如果把經典計算機比作算數老師，一次只能處理一個數字，量子計算機則像大魔法師，能同時處理成千上萬個數字。

但是，要實現這種“魔力”，還需要一些其他的條件。比如，要保證量子比特之間不受外界干擾，要能夠精確地控制和操縱量子比特，要能夠有效地讀取和輸出量子比特的狀態等，這些都是非常困難和復雜的技術難題。

目前，有多種物理系統可以用來實現量子比特，如光子、原子、電子、超導體等，不同的物理系統有各自的優缺點，如穩定性、可控性、可擴展性等。目前還沒有一種物理系統，能夠完美地實現量子計算機的要求，因此研究人員還在不斷地探索和改進各種方案。

• 谷歌量子計算機

谷歌使用了超導電路來實現量子比特，并可以通過精確控制微波脈沖來操縱這些量子比特。超導電路是一種在接近絕對零度的極低溫條件下具有零電阻的電路，在這種狀態下，電流可以無損地流動，并形成穩定的磁場，利用超導電路中電荷、相位和磁通量三種方式來形成量子比特。

谷歌的這個量子計算機有70個超導量子比特。在一個復雜的基準測試中,它成功完成了需要世界第一超級計算機花47年時間才能完成的計算任務。這個基準測試叫做隨機電路采樣（random circuit sampling），它是從隨機生成的量子過程中提取數據的方法。這個方法可以減少外部噪聲對計算的干擾，也可以檢驗量子計算機的性能和正確性。

谷歌的量子計算機在這個測試中表現出了驚人的速度和精度，它只用了6秒就完成了一次采樣，而世界上最快的超級計算機Frontier則需要47年才能完成同樣的任務，這說明了量子計算機巨大的加速潛力。

當然，這并不意味著谷歌的量子計算機就可以解決任何問題了。事實上，這個測試只是一個特定的、不可編程的、沒有實際應用價值的任務。而要實現一個通用可編程的量子計算機，仍有諸多技術難題需攻克，如如何減少量子比特的錯誤率，如何制造更多的量子比特，如何實現量子錯誤糾正等。

但這也是一個重要的里程碑，它證明了超導量子計算機的可行性和優勢。

• 量子計算機種類

目前正在研發的量子計算機包括超導量子計算機、離子阱量子計算機、拓撲量子計算機、硅基量子計算機、光子量子計算機、分子量子計算機等，從當前技術發展狀況來看，最有希望實現實用化和商業化的是超導量子計算機和離子阱量子計算機。

超導量子計算機由于具有長相干時間、高門控精度、可擴展性強等優點，目前看來是未來最有前途的主流量子計算機方案。谷歌、IBM等公司正在積極推進的，就是這種量子計算機。隨著制冷技術的進步以及量子誤差糾正代碼的開發，超導量子計算機有望在不久的未來實現量子優勢——雖然谷歌已宣布實現了量子霸權，但業界仍然存在一些爭議。

離子阱量子計算機也展現出強大的量子控制能力和計算精度，但它擴展到大規模量子計算機的難度較大。一種可能的發展方向是兩種技術結合，即構建含光學互聯互通的離子阱量子計算機網絡。

拓撲量子計算機、硅基量子計算機等仍面臨準確性或可擴展性方面的困難，光子量子計算機用于特定領域，如量子通信是一個有前景的選擇。

• 領先的量子計算機研發機構

根據公開的研究論文和進展報道，在通用量子計算機研究中進展最快的公司和國家包括：

1、谷歌

谷歌是量子計算領域的先驅，它的超導量子處理器采用了量子糾錯技術，量子位數量也在穩步增加，被視為量子計算領域的領先者。

2、IBM

IBM的超導量子計算系統擁有高量子量子位連接性和低誤差率，公布的路線圖規劃到2023年實現1000+量子位。

3、普林斯頓大學

建造了高性能的離子阱量子計算機原型并實現了量子優勢。

4、中國

中國加大量子計算研發投入，2020年實現“九章”量子計算機，確立了量子計算領域的大國地位。

5、歐盟

歐盟啟動價值10億歐元的旗艦量子技術計劃，目標是在2029實現通用量子計算機。

6、加拿大

加拿大政府和學術機構投資力度大，在超導量子計算等方面技術領先。

7、澳大利亞

澳大利亞成立了各方參與的量子計算中心，計劃在硅量子計算等方面取得突破。

另外微軟、亞馬遜、英特爾、東芝、霍尼韋爾等公司也在量子計算領域非常活躍。

在不久的將來，量子計算機可能就會給我們帶來無限的可能，比如模擬復雜的物理和化學過程，設計新型的藥物和材料，加強信息安全和隱私保護等，并且將給我們帶來巨大的挑戰和變革，如改變傳統的計算模式，推動新興產業的發展，影響全球經濟和政治格局等。

這項研究近期發表在arXiv上：https://arxiv.org/abs/2304.11119