人們很早就認為，量子計算機有望實現世間最強大的傳統計算機也無法（至少非常難）實現的某些計算。目前，加州戈利塔谷歌實驗室中的研究人員可能很快便可以證明這一理論，他們所使用的量子比特（或稱量子位）未來或許會用于制造大型量子機器。

該團隊計劃到今年年底將集成電路中自制超導量子比特的數量提升到7×7陣列。谷歌研究人員力求通過該量子集成電路，達到最好的超級計算機所能達到的最高水平，以此證明“量子霸權”。

“多年來我們一直在探討，如何借助量子力學的運行方式，使量子處理器成為強大的機器。我們很想具體地演示這一過程。”團隊成員約翰?馬蒂尼（John Martinis）如是說。馬蒂尼是加州大學圣巴巴拉分校的教授，于2014年加入谷歌團隊。

物理學家們認為，要實現那些長期以來激勵著他們進行量子計算研究的算法，一個僅有49超導量子比特的系統還遠遠不夠；秀爾（Shor）算法便是上述算法的其中一種。這一算法實質上是一種計算方案，能夠讓一臺量子計算機快速將大數分解為因子，由此破解現代密碼學的其中一個基礎要素。馬蒂尼及其同事近期在《自然》期刊發表的一篇文章中預計，在將來的某一天，如果人們想要分解一個2000比特的數字——也就是一個常見的公開密鑰長度，那么他們將需要一個擁有1億量子比特的系統。而大部分量子比特都將用來創建執行運算、修正誤差所需的各種特殊量子態，以此從數千個不穩定的物理要素中創建只有1000比特左右的、穩定的“邏輯量子比特”，馬蒂尼如是說。

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在這個49量子比特的系統中，并沒有額外配置此類基礎結構。這也就意味著，要想確立量子霸權，就必須采取不同的運算方式。為了展示該芯片與傳統計算機相比所具備的優勢，谷歌團隊必須在該陣列中進行相關的操作，使其產生混亂，然后生成看似隨機的輸出結果。實際上，傳統的計算機可以模擬小型系統的此類輸出，例如，根據勞倫斯伯克利國家實驗室在4月份的報道，其29千萬億次的超級計算機Cori已經模擬出了45量子比特的輸出。而這一輸出可能會接近或超出傳統超級計算機的能力上限。

雖然此類計算目前尚未具備明確的實際應用，但根據馬蒂尼所述，研究這一方法，除了要證明量子霸權外，還有一些其他原因。用于生成49量子比特陣列的量子位也可以用來構建更大的、具有糾錯能力的“通用型”量子系統；而這種系統可以完成類似解密的操作。因此，這種芯片可提供有用的驗證數據。

根據該團隊的猜想，對于那些糾錯能力較差或是不具備任何糾錯能力的系統來說，依舊還有尚未開發的計算潛力。“若果真如此，就真的太棒了。因為我們不用等待太長時間，立刻就可以得到自己想要的有用產品。”馬蒂尼如是說。根據該團隊的假設，化學反應和化學材料的模擬可能是潛在的應用之一。

近期，谷歌在9×1量子比特陣列上對這一方法進行了一次空運行，并在2×3陣列上測試了一些制造技術。提高量子比特數量將分階段進行。“這是一個具有挑戰性的系統工程問題。”馬蒂尼說，“我們不得不擴大這個陣列，同時保證量子比特的良好運行。我們既不能使精確度有任何損失，也不能使出錯率上升。但我必須申明，出錯率與規模之間是存在某種競爭關系的。”他還說，該團隊甚至認為，即便不具備糾錯功能，也有方法將該系統擴大至超過50量子比特。

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谷歌并不是唯一研究如何構建不具備糾錯功能的更大量子系統的公司。3月份，IBM公司發起了一項計劃，打算在未來幾年研發出一個超導量子比特系統，規模也是約為50量子比特，并實現云接入。“50是一個有魔力的數字。”IBM公司負責該領域的副總裁鮑勃?蘇托爾（Bob Sutor）說，因為在達到這一水平后，量子計算機在某些任務上開始超越傳統計算機。

自從D-Wave系統公司開始提供商業量子計算機后，超導量子比特的質量在這幾年里得到了顯著的提升，得克薩斯大學奧斯汀分校的計算機科學教授斯科特?阿倫森（Scott Aaronson）如是說。總部設在加拿大不列顛哥倫比亞省本拿比市的D-Wave公司宣布，其所研發系統的運行速度已經超越了傳統的計算機。但根據阿倫森所述，尚未有可信的證據可以證明這一情況。他說，谷歌已明確要證實量子霸權是“不容小覷和質疑的”。

阿倫森說，約50量子比特的芯片是否可以執行有用的任務，目前尚不明確，也不確定能否在不具備糾錯功能的前提下研發出更大型的系統。但他同時也說道，盡管情況如此，量子霸權的證明依舊是一個重要的里程碑。人們為了研發出大型通用量子計算機付出了巨大的努力，而量子霸權則是自然而然的衍生物：“盡可能明確地確認這個世界的運行方式，是一件絕對值得去做的事情。當然，如果我們將量子霸權視為技術的衍生品，而這項技術最終必然會發揮自己的作用，那我們又有什么理由不這樣做呢？”

作者：Rachel Courtland