从数学上讲，很容易证明工作中的通用量子计算机在某些问题上可以轻松胜过经典计算机。然而，用实际的量子计算机演示它完全是另一个问题。我们制造的大多数量子计算机都没有足够的量子位来处理复杂的计算，而它们的性能显然优于传统计算机。由于噪声、串扰以及量子位与邻居失去纠缠的趋势，扩大量子位的数量变得复杂。所有这些都提出了一个问题，即量子计算的理论优势是否真的可以在现实世界中产生影响。
上周末，《金融时报》声称谷歌研究人员在一份研究论文草稿中展示了“量子霸权”，该草稿在被撤回之前曾短暂出现在 NASA 网络服务器上。但谷歌取得的成就的细节仍然含糊不清。在此期间，Ars 已经获得了论文草稿的副本，我们可以确认《金融时报》的报道。更重要的是，我们现在可以准确地描述谷歌认为它已经取得的成就。
本质上，谷歌正在对一大群纠缠量子比特(其中 53 个)的行为进行采样，以确定描述量子系统的统计数据。这大约需要 30 秒的量子比特时间，如果添加通信和控制流量，则大约需要 10 分钟。但是，在世界上目前最快的超级计算机上根本不可能确定这些统计数据——通过求解量子力学方程来确定这些统计数据。
一个量子问题
谷歌解决的问题涉及向量子位发送随机模式，并在稍后的某个时间重复测量事物。如果您使用单个量子位执行此操作，则测量结果将产生一串随机数字。但是，如果你纠缠两个量子位，那么一种称为量子干涉的现象就会开始影响使用它们生成的位串。结果是一些特定的位排列或多或少变得普遍。随着更多位纠缠在一起，这同样适用。
对于少量比特，经典计算机可以计算干涉图，从而计算系统不同结果的概率。但是随着位数的增加，问题变得很糟糕。通过在目前世界上最强大的超级计算机上运行较小的问题 ，研究小组能够估计计算会在大约 14 个量子位时失败，因为计算机会耗尽内存。如果在 Google 云计算服务上运行，将计算推高至 20 量子位将花费 50 万亿核心小时并消耗 1 拍瓦的电力。
基于此，一个大约 30 个量子位的系统似乎足以表明优于传统非量子超级计算机的量子性能。因此，很自然地，参与研究的研究人员构建了一个具有 54 个量子位的，可以肯定的是。结果证明其中一个有缺陷，给计算机留下了 53 个。
这些与其他公司一直在进行的设计相似。量子位是超导导线回路，其中电流可以在两个方向中的任何一个方向循环。这些与微波谐振器相关联，可用于通过使用适当频率的光来控制量子位。量子位被布置在一个网格中，连接从每个内部量子位到它的四个邻居(网格边缘的连接较少)。这些连接可用于纠缠两个相邻的量子位，顺序操作会增加不断增长的数字，直到整个芯片都纠缠在一起。
非受迫性错误
值得注意的是，此设置中缺少错误更正。随着时间的推移，量子比特往往会失去它们的状态，从而失去它们的纠缠。这个过程有点随机，所以它可能发生得足够早以破坏任何计算的结果。显然，随着更多的量子比特，这将成为更大的风险。但是估计系统的整体错误率需要将其行为与其行为的计算描述进行比较——我们已经确定我们无法计算这个系统的行为。
为了解决这个问题，研究团队从观察单个位的行为开始。除其他外，这表明芯片上不同量子位的错误率可能相差 10 倍以上。然后他们继续测试两个量子位的组合，发现错误率主要是两个错误的组合单个量子比特的速率。它不仅使估计更大组合的错误率变得更容易，而且表明他们用来连接量子位的硬件，以及用来纠缠它们的过程，并没有造成额外错误的重要来源。
也就是说，错误率并不是特别令人印象深刻。研究人员写道：“我们可以将量子电路的保真度建模为所有门和测量无误操作概率的乘积。” “我们最大的随机量子电路有 53 个量子位、1113 个单量子位门、430 个双量子位门，以及对每个量子位的测量，我们预测其总保真度为 0.2%。”
至尊
很明显，这个硬件不是通用量子计算机的组成部分——或者至少是你可以信任的通用量子计算机。在这些结果之前，我们需要纠错的量子位;之后我们仍然需要它们。并且可以争辩说，这与其说是“执行计算”，不如说是简单地“重复测量量子系统以获得概率分布”。
但这严重低估了这里发生的事情。在量子计算机上进行的每一次计算最终都会成为对量子系统的测量。在这种情况下，使用经典计算机根本无法获得该概率分布。有了这个系统，我们可以在 10 分钟内搞定，大部分时间都花在不涉及量子位的处理上。正如研究人员所说，“据我们所知，这个实验标志着第一个只能在量子处理器上执行的计算。”
同样重要的是，它表明扩大量子计算没有明显的障碍。困难的部分是将一定数量的量子比特设置在特定状态然后将它们纠缠在一起所需的工作。没有明显的减速——也没有以前未被认识到的物理问题阻止这种情况随着量子比特数量的增加而发生。这应该提供一点信心，即没有什么基本的东西可以阻止量子计算机的发生。
然而，认识到错误率后，研究人员认为我们没有看到量子计算的曙光，而是他们所谓的“嘈杂的中级量子技术”。从这个意义上说，他们很可能是对的，就在上周 IBM 宣布将在 10 月份推出53 位通用量子计算机。这也不会进行纠错，因此它也可能不可靠(尽管 IBM 的量子位可能具有与 Google 不同的错误率)。但它提出了一个有趣的可能性，即使用 IBM 的机器可以确认 Google 的结果。
同时，这个特定系统唯一明显的用途是生成经过验证的随机数生成器，因此没有太多明显的后续行动。有传言说，这篇论文的最终版本将在下个月内发表在一家主要期刊上，这可能解释了为什么它会如此迅速地下线。当正式出版时，我们可以预期谷歌和它的一些竞争对手会更有兴趣谈论这项工作的影响。