Google 提“量子霸权” ， IBM 提“量子优势” ， 这两种提法说的是一个意思吗？量子优势与量子霸权相比 ， 到底哪个更激进？它们将如何影响科技界、工业界和我们的未来？今天的文章就是关于量子霸权与量子优势的一篇专业又有趣的科普 。
撰文 | 无邪（量子计算领域研究人员）
两个大佬级的科技公司正在全力推进量子计算机的研发 ， Google提“量子霸权（quantum supremacy）” ， IBM提“量子优势（quantum advantage）” ， 这两种提法是一个意思吗？量子霸权给人感觉就很霸道啊 ， 是不是量子霸权就比量子优势更为激进呢？在这两个概念提出之初 ， 笔者也感觉量子优势是更为温和的 ， 但随着理解的逐步加深 ， 现在有了不一样的看法 。 借着Google最近声称的量子霸权的横空出世（这一提法尚有争议 。 据最新消息 ， IBM在其10月21日发表的预印本论文中对Google经典计算机模拟部分做了新的评估 。 参见后记） ， 笔者在此谈谈个人见解 ， 欢迎方家指教 。
1 Google与“量子霸权”
9月底 ， Google 量子 AI 团队通过 NASA STI program 发布了一份报告 ， 题为“采用一个可编程超导处理器实现量子霸权” 。 文中报道了一个包含53个量子比特的量子芯片 ， 在态空间随机采样算法上 ， 对一个实例执行100万次需要约200秒 ， 而对于同样的任务 ， 要达到同样的保真度 ， 采用目前最强的超级计算机大约需要一万年 。
Google量子计算芯片“Sycamore” | 图片来源：NTRS/NASA
这块芯片的代号叫“Sycamore” ， 用一种美国的悬铃木（有点像法国梧桐）来命名 ， 芯片上还印了一片悬铃木叶似的 logo 。 这也是Google量子计算芯片的命名特色 ， 比如他们正在测试中的另一块包含72个量子比特的芯片则命名为“Bristlecone” ， 以狐尾松来命名 ， 芯片上则印着一个松果 。 无论是悬铃木还是狐尾松 ， 都用上了最新的封装技术——倒装焊 ， 这一技术使得对量子比特进行二维矩阵式排列成为可能 ， 而这种近邻耦合的矩阵排列形式是进行表面编码量子纠错所必要的 。 由此可以推断Google有可能在不久的将来测试真正意义上的量子纠错 ， 不过“量子霸权”更符合现阶段的发展需要 。
悬铃木看起来只有53个量子比特 ， 但事实上它包含了142个！只是其中88个量子比特仅作为耦合器工作 ， 另外54个（哦！抱歉 ， 坏了一个）作为全功能的量子比特使用 。 尽管坏掉一个 ， 53个量子比特也足以演示“量子霸权”了 ， 它的态空间（指53个量子比特组成的量子系统所有可能存在的量子态的集合）维度高达253 ， 有兴趣的同学可以算一算这是多大的一个数 。 如果能够全部用上 ， 现有的超级计算机别说计算了 ， 就是存储这个态（存储消耗的是空间 ， 由于53个量子比特的纠缠态过于复杂 ， 需要消耗极大的内存空间）就够喝上好几壶了 。
悬铃木的拓扑结构 。 叉叉是量子比特 ， 蓝色菱形块也是 ， 只不过作为可调的耦合器来用 | 图片来源：NTRS/NASA
Google团队对芯片做了全面的基准测试 ， 结果表明总体的单比特量子门和双比特量子门操作保真度都能够达到99%以上 ， 已经基本达到了能够进行表面编码纠错的阈值 。 在更多的细节中 ， 团队还指出 ， 这些量子门操作的错误率中 ， 主要成分是离散的、局域的泡利错误（一个量子比特发生了比特翻转或相位翻转） ， 这就意味着这些错误都是可以用量子纠错算法来消除的 。 对于未来的量子纠错而言 ， 这无疑是一个好消息 。
2 量子纠错有多重要？
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