我正站在谷歌位於加利福尼亞州戈利塔市的設施中，一個類似車庫的實驗室裡，面對著一塊巨大的觸控式螢幕，用手指在顯示屏上移動一些小方塊，這些方塊中包含著符號——X、Y、H 和其他更神秘的符號。這些方塊代表著可以在附近一個巨大的銀色圓筒內的量子位元（qubit）上執行的功能。在提供的眾多功能中，有些功能會導致量子位元從 1 翻轉到 0（或從 0 翻轉到 1）；一個功能使其圍繞軸旋轉。
顯示屏上的另一個方塊顯示了量子位元的狀態，它看起來像一根棒棒糖在球體內部移動，棒棒糖的棍子固定在中心。當它移動時，旁邊的數字在 1.0000 和 0.0000 之間振盪。這是量子位元的優勢之一：它們不必像二進位制位元那樣是全有或全無的 1 或 0，而是可以佔據兩者之間的狀態。這種“疊加”的特性使每個量子位元能夠同時執行多個計算，從而以幾乎神奇的方式加速計算。雖然來自量子位元的最終讀數是 1 或 0，但所有這些中間步驟的存在意味著經典計算機可能很難或不可能進行相同的計算。對於外行人來說，這個過程可能看起來有點像魔術——揮一揮手，點一下觸控式螢幕，瞧，一隻兔子就從量子帽子裡被拉了出來。谷歌邀請我——以及其他一些精選的記者——來到這裡，揭開這種魔法的神秘面紗，以證明它根本不是魔法。
在螢幕的右半部分，波浪線顯示了與量子位元上執行的功能相對應的波形。旁邊是一個桌面印表機大小的盒子，它將這些波形作為電脈衝透過電線傳送到銀色圓筒中。如果圓筒是開啟的，人們會看到一系列六個腔室，像一個用電線裝飾的倒置婚禮蛋糕一樣分層排列。每個腔室都被冷卻到比上面一個腔室低得多的溫度；最底層的溫度是零下 15 毫開爾文，幾乎比外太空深處冷 200 倍。穿過連續階段的電線將來自溫暖外部世界的控制訊號傳遞進來，並將來自腔室的結果傳遞回去。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
那個腔室處於真空中，遮蔽了光和熱，否則光和熱會擾亂脆弱的量子位元，這些量子位元位於所有電線的末端的一個晶片上，隔離在黑暗和寒冷中。每個量子位元大約 0.2 毫米寬，足夠大到可以透過普通顯微鏡看到。但是，在冷卻並遠離外部影響後，每個量子位元都變成超導體，讓電子自由流動，表現得好像它是一個單獨的原子一樣，從而使量子力學定律擴充套件到支配其行為。
微波的輕柔脈衝使量子位元振動。當兩個相鄰的量子位元達到相同的共振頻率時，它們就會變得糾纏——這是另一種量子力學特性，意味著測量一個量子位元的狀態會告訴你另一個量子位元的狀態。不同頻率的電磁脈衝會導致位元翻轉。谷歌的量子軟體工程師克雷格·吉德尼說，量子計算機很像一個裝滿擺錘的盒子。我和腔室外的其他人向其中傳送訊號，就像拉動擺錘的繩子，改變它們的擺動來執行不同的邏輯運算。
谷歌量子團隊表示，所有這些冷卻和振動使他們實現了量子霸權，即量子計算機可以完成普通經典計算機無法完成的事情的臨界點。在一篇本週發表在《自然》雜誌上的論文中——但上個月在 NASA 網站上不小心洩露了——谷歌工程師描述了一個基準實驗，他們用它來證明霸權。他們的程式在 50 多個量子位元上執行，檢查量子隨機數生成器的輸出。谷歌量子人工智慧實驗室經理哈特穆特·內文說，一些批評家抱怨這是一個人為設計的問題，現實世界的應用有限。“人造衛星也沒有做太多事情，”內文在戈利塔工廠的新聞釋出會上說。“它繞地球轉了一圈。然而，這是太空時代的開始。”
芝加哥大學凝聚態物理學家大衛·奧沙洛姆專門研究量子資訊工程，他沒有參與這項研究，他也認為該程式解決了一個非常特殊的問題，並補充說谷歌不能聲稱它擁有一臺通用量子計算機。他說，這樣的成就可能需要一百萬個量子位元，而且還將在未來很多年才能實現。但他認為，該公司的團隊已經達到了一個重要的里程碑，為其他科學家提供了可以構建的實際成果。“我對此感到非常興奮，”奧沙洛姆說。“這種型別的結果提供了一個非常有意義的資料點。”
谷歌的量子計算晶片“西克莫”使用 53 個量子位元實現了其結果。晶片上的第 54 個量子比特出現故障。“西克莫”的目標是隨機生成由 1 和 0 組成的字串，每個量子位元對應一位數字，生成 253 個位元字串（即約 9.700199254740992 千萬億個位元字串）。由於量子位元彼此相互作用的方式，某些字串比其他字串更可能出現。“西克莫”運行了該數字生成器一百萬次，然後對結果進行取樣，以得出任何給定字串出現的機率。谷歌團隊還在橡樹嶺國家實驗室的超級計算機“頂點”上運行了該測試的簡化版本，然後從這些結果中外推以驗證“西克莫”的輸出。新晶片在 200 秒內完成了這項任務。研究人員估計，同樣的任務將花費“頂點” 10,000 年。
然而，IBM 的一組研究人員也在致力於開發量子計算，他們在本週早些時候在 arXiv.org 上釋出了一篇預印本論文，認為在理想條件下並使用額外的記憶體儲存，“頂點”可以在兩天半內完成這項任務。“由於‘量子霸權’一詞的最初含義，正如[加州理工學院理論物理學家]約翰·普雷斯基爾在 2012 年提出的那樣，是為了描述量子計算機可以完成經典計算機無法完成的事情的臨界點，因此尚未達到這個門檻，”科學家們在 IBM 研究部落格上的一篇文章中寫道。那麼，也許谷歌的成就最好被貼上“量子優勢”的標籤。
但德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家斯科特·阿倫森有時會與谷歌研究人員合作，他說，說尚未實現量子霸權並非完全正確——即使它不是像“人類登月”那樣明確的結果。畢竟，“西克莫”在完成這項任務時仍然比“頂點”快得多。隨著谷歌設定中量子位元數量的增長，其計算能力將呈指數級增長。從 53 個量子位元增加到 60 個量子位元，將使該公司的量子計算機擁有相當於 33 臺“頂點”超級計算機的計算能力。在 70 個量子位元的情況下，一臺類似“頂點”的經典超級計算機必須有一個城市那麼大才能擁有相同的處理能力。
阿倫森還懷疑谷歌取得的成就可能已經具有一些意想不到的實際價值。它的系統可以用於生成可驗證地由量子物理定律保證為隨機的數字。例如，這種應用可能會產生比人類或經典計算機能夠想出的更強大的密碼。
“我不確定爭論它是否是‘霸權’是正確的做法，”奧沙洛姆說。他說，量子計算界尚未就比較不同量子計算機的最佳方法達成一致，尤其是那些基於不同技術構建的量子計算機。雖然 IBM 和谷歌都在使用超導體來建立量子位元，但另一種方法依賴於捕獲離子——懸浮在真空中並由雷射束操縱的帶電原子。IBM 提出了一個名為“量子體積”的指標，其中包括量子位元執行計算的速度以及它們避免或糾正錯誤的能力等因素。
事實上，糾錯是量子計算機科學家必須掌握才能製造出真正有用的裝置——包含數千個量子位元的裝置的關鍵。研究人員說，到那時，這些機器可以執行化學反應的詳細模擬，這可能會帶來新藥或更好的太陽能電池。它們還可以快速破解最常用於保護網際網路資料的密碼。
然而，要達到這種效能，量子計算機必須進行自我糾錯，找到並修復其執行中的錯誤。當量子位元自發地從 1 翻轉到 0，或者當其量子疊加因外部世界的干擾而衰減時，可能會出現錯誤。谷歌的量子位元目前的壽命約為 10 微秒，然後衰減。該專案的研究人員之一瑪麗莎·朱斯蒂娜說：“它們的壽命有限。‘它們非常脆弱。它們與周圍環境相互作用，我們只是丟失了量子資訊。”
經典計算機透過冗餘來解決糾錯問題，透過測量電容器中數萬個電子而不是單個電子來決定數字位元是開啟還是關閉。相反，量子位元本質上是機率性的，因此試圖將它們組合在一起以執行一次批次測量是行不通的。谷歌正在開發一種統計方法來糾正錯誤，加州大學聖巴巴拉分校的物理學家約翰·馬蒂尼斯與該公司合作開發了“西克莫”，他說，到目前為止的初步結果表明，沒有基本方面，沒有阻礙因素，會阻止糾錯變得越來越好。看來，演出將繼續進行。
與此同時，谷歌的工程師將致力於改進他們的量子位元，以減少錯誤——可能允許更多量子位元互連。他們還希望縮小其大型桌面印表機大小的控制箱——每個控制箱可以處理 20 個量子位元和相關電路，因此需要三個控制箱來執行“西克莫”的 53 個量子位元。如果他們的系統擴充套件到大約 1,000 個量子位元，其冷卻需求將超過那些大型銀色圓筒的容量。
在谷歌從事量子硬體和架構工作的朱利安·凱利說，該公司的公告首先是一項工程成就，但它可能開闢未開發的領域。“我們已經證明量子硬體可以做一些極其困難的事情，”他說。“我們正在一個以前沒有人能夠進行實驗的空間中運作。”他說，這種進步的結果將是什麼，“我們還不知道，因為我們才剛剛到達這裡。”