今年 5 月，谷歌官宣了位於聖芭芭拉的量子 AI 園區（Quantum AI Campus），裡面有資料中心、晶片製造設施、研究實驗室和龐大的辦公區域，全都是為了打造和執行量子計算機服務的。
這是谷歌在量子計算領域的最新加註。
他們希望透過打造一臺 “擁有糾錯能力的” 量子計算機，用來解決目前以及未來人類社會面臨的棘手問題，譬如解鎖新的科學發現機會，應對日益增多的全球人口，探索可持續的能源使用，如何有效減少碳排放以應對全球氣候變化等等。
“人工智慧和其他技術的進步使許多令人難以置信的應用成為可能。當我們展望未來 10 年，許多最棘手的全球挑戰都需要一種新的計算方式，” 谷歌量子 AI 首席工程師埃裡克·盧塞羅（Erik Lucero）表示。他參與設計和建造了谷歌量子 AI 園區，並負責園區運營。
這種新的計算方式，就是量子計算。
圖 | 埃裡克展示谷歌量子 AI 園區（來源：谷歌）
我們今天看到的人工智慧應用，離不開龐大運算能力的支援，但仍侷限於經典計算邏輯。當我們想要更高效的電池、更優秀的肥料、更少的碳排放、更有效的藥物時，經典計算就會顯得難以應付，因為這些需求對材料和分子的理解、設計和模擬提出了更高的要求。
這往往意味著在計算機上更精準地模擬真實的自然界，但自然界充滿了機率和不確定性：原子之間的鍵和相互作用是機率性的。
對於經典計算機而言，0 和 1 構成了最基礎的資料結構和邏輯關係，幾乎所有資訊都是明確的，比如門是開是關，屋子裡有人沒人。因此我們今天看到的高效能經典計算本質上都屬於同一類，進行一系列布林邏輯（運算）。
如果用經典計算機模擬分子，計算資源很快就會被耗盡。
而對於量子計算機來說，其基礎單元量子位元（Qubit）最大的特點就是不確定性，這對應了現實世界問題複雜多變的本質。因此量子計算機強在對不確定性的模擬，可以用更豐富的計算空間（量子力學）替換布林邏輯，使我們能夠探索經典計算機中可能沒有的計算空間。
圖 | 埃裡克展示量子計算機的內部構造（來源：谷歌）
埃裡克表示，量子計算機的一個直接應用是可以幫助解決飢餓問題。
“人類使用大量的氮作為農作物的肥料，而量子計算機可以模擬大自然生產氮的方式，有計算出更好方法的潛力，這樣人類就可以以更低的能源成本生產農作物，養活更多的人口。”
邏輯量子位元與糾錯能力
目前量子計算正在飛速發展，但很大程度上仍在研究模擬量子計算機，嘗試證明量子計算機可以比經典計算機更快，也就是所謂的“量子優越性”。
谷歌認為，量子計算機領域的里程碑事件很可能就像電晶體之於經典計算機，因為電晶體的出現徹底改變了電子裝置中的邏輯元件，數字時代由此誕生。而量子計算領域，未來也將迎來從模擬到數字的飛躍。
在這個過程中，一個需要攻克的難題是如何打造 “擁有糾錯能力” 的量子計算機。
無論是經典計算機，還是量子計算機，其構成元件離不開電路、記憶體之類的底層物理系統，而這些系統在執行過程中難免會出現錯誤（噪音）。
經典計算機之所以能夠如此普及，就是因為我們已經在經典計算中實現了糾錯，比如引入糾錯碼來核對資料的準確性。但類似的方法不能用在量子計算中，因為對量子位元的檢測會破環資料。
谷歌的下一個目標就是要實際證明量子糾錯是可行的，並且是在 100 個量子位元上實現。
“我們今天面臨的巨大挑戰是證明量子糾錯在任何一種量子計算架構中都是有效的。目前還沒有人真正證明這一點，” 埃裡克表示。
谷歌團隊的思路是使用邏輯量子位元，起到糾錯位的作用。
圖 | 谷歌 Sycamore 量子晶片的量子位元層（來源：谷歌）
目前在谷歌的 “懸鈴木（Sycamore）” 量子晶片上，排列了許多物理量子位元，它們由超導金屬製成，功能上類似於電感和電容，蝕刻在鋁塗層矽晶片上。它們之間相互連線，使每個量子位元都可以被單獨控制。
當擁有足夠多的高質量物理量子位元之後，就可以組成邏輯量子位元。
“我們可以將邏輯量子位元抽象地看作是由 1000 個物理量子位元排列在二維網格中執行糾錯。為什麼是 1000？因為這是目前看來最合理的數量，” 埃裡克表示。
與用電晶體表達 0 和 1 類似，當我們將兩個邏輯量子位元組合在一起併成功在它們之間執行操作時，我們就實現了量子計算的電晶體。
有了 1000 個量子位元，應該可以儲存近一年的量子資料。進一步擴大系統規模需要將許多元件變得更小，包括佈線、放大器、濾波器和其他電子元件。
儘管現在的 Sycamore 量子晶片只有 54 個物理量子位元，離 1000 的目標還有很長的路要走，但谷歌已在自家雲平臺上開放了量子計算的服務，還開源了一系列框架和庫，包括用於編寫、操作和最佳化量子電路的 Python 框架 Cirq，用於編譯和分析量子演算法以模擬費米子系統（包括量子化學）的 OpenFermion 庫，以及建立在谷歌經典計算硬體 TPU 上的 TensorFlow 量子庫。
十年，六個里程碑
對於未來的發展方向，谷歌已經制定了量子計算藍圖，包含六個重要的里程碑事件。
第一個是證明 “量子優越性”。這已經在 2019 年實現了，當時谷歌在《自然》上發表了一篇論文，題為《透過可程式設計的超導處理器實現量子優越性（Quantum supremacy using a programmable superconducting processor）》，證明了量子計算具備超出傳統超級計算的能力。
從那時起，谷歌一直在擴大量子計算系統的規模，嘗試實現糾錯並證明糾錯有效。這也是第二個里程碑。
圖 | 量子計算的應用方向（來源：谷歌）
谷歌已經在這方面邁出了第一步。2021 年 7 月，谷歌量子 AI 團隊發表了一篇新論文《透過迴圈糾錯對位或相位錯誤進行指數抑制（Exponential suppression of bit or phase errors with cyclic error correction）》，展示其在量子糾錯方面的進展。
埃裡克認為這算是里程碑 1。5，因為“我們展示了目前推進的糾錯方法是可行的，但只實現了一個維度，真正的里程碑 2。0 應該是兩個維度。”
第三個里程碑是實現糾錯邏輯量子位元。在證明量子糾錯可行後，需要將其擴充套件到一個足夠大規模的系統來證明大規模構建糾錯邏輯量子位元是可行的。
第四個里程碑是量子電晶體，也就是前文所說的，將兩個邏輯量子位元（由 1000 個物理量子位元構成）組合在一起。它們可以在複雜的演算法上協同工作，這需要晶片之間的一致性，以便處理器可以跨量子位元通訊。這需要在製造技術、控制軟體等方面進行大量工作。
第五個里程碑是將該系統擴充套件到 100，000 個物理量子位元，約是 100 個邏輯量子位元。當它們可以協同工作時，才可能製造出第一臺小型、糾錯的量子計算機。
第六個里程碑則是製造出糾錯邏輯量子位元的完全體，大約包含 1，000，000 個物理量子位元。這可能就是真正的量子計算機。
走完這六個里程碑，或許要花上十年的時間。
至於十年之後、有了第一臺量子計算機之後的計劃，或許是再建一個更好的量子計算機。
目前谷歌的量子計算晶片的部分元件由超導材料製成，需要在極低的溫度下執行，因此配套裝置包括真空罐，低溫恆溫器，冷卻設施等等，體積十分龐大。
按照埃裡克的設想，由超導量子位元支援的第一臺量子計算機可能會在未來十年內面世，而當它完成並正式開始工作後，或許能夠幫助人們找到比低溫超導更好的材料。
這意味著，第一臺量子計算機很可能幫助研發第二臺量子計算機。
“我們（谷歌）相信可以在十年內實現這種糾錯量子計算機。對於量子計算來說，現在正處於非常豐富有趣的硬體黃金時代，人們需要發明出真正能夠幫助拓展系統的硬體，為未來做好準備，” 埃裡克強調。
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參考：
https：//quantumai。google/learn/map
https：//quantumai。google/hardware/
https：//quantumai。google/learn/lab
