美国时间3月5日，谷歌研究博客（Google Research Blog）丢出一个深水炸弹——Bristlecone，这是一个世界上首款72量子比特的量子芯片。

　　可能有不少朋友对于72量子比特不太了解，其实量子计算机的计算能力是通过量子比特数量来确定的，那么量子比特数量是什么？

　　在经典计算机里，存储的信息单位是比特（bit），比特使用二进制，也就是说一个比特表示的不是“0”就是“1”。

　　但是，在量子计算机里，情况会变得完全不同，量子计算机的信息单位是量子比特（qubit），量子比特可以表示“0”，也可以表示“1”，甚至还可以是“1”和“0”的叠加状态（superposition），即同时等于“0”和“1”，而这种状态在被观察时，会坍塌成为“0”或是“1”，也就变成了确定的值，其实也就和经典量子理论“薛定谔的猫”是一个道理（把一只猫放到一个不透明的特殊盒子中，在打开盒子前，这只猫既可能是死的，也可能是活的，打开后，两种可能性才坍塌到其中一种）。除此之外，两个量子比特还可以共享量子态，无论这两个量子比特离得多远，也就是所谓的“量子纠缠”（entanglement）。

　　量子比特的神奇之处

　　理论上，2个量子比特的量子计算机每一步可以做到2的2次方，也就是4次运算，所以说，50量子比特的运算速度（2的50次方=1125亿亿次）将秒杀最强超级计算机（目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光，运算速度是每秒9.3亿亿次）。

　　说得再具体一点，拿《火影忍者》举例的话，那就是佐助是经典计算机，鸣人是量子计算机，要找一个东西，佐助只能自己一个一个地方跑去找，也许要找一年。

　　但是鸣人可以分出5个影分身，然后5个影分身再分出5个影分身，分身的分身再分身，所有分身都同时去不同的地方，瞬间找到东西，然后分身收回，只剩一个鸣人，取回东西，完成。所以说量子计算能力惊人。

　　谷歌此次公布的Bristlecone的量子芯片使用了一种新的架构，允许单个阵列上的72个量子比特具有重叠设计，将两个不同的网格放在一起。

　　▲左边是谷歌最新的72量子比特量子处理器Bristlecone|，右边是图示：每个“X”代表一个量子比特，量子比特之间以线性阵列方式相连

　　谷歌利用称为量子纠错（Quantum Error Correction）的专门流程对Bristlecone进行了优化，以尽可能降低错误率。正是谷歌这样的设计，让Bristlecone量子芯片在达到72量子比特的同时也实现了1%的错误率。

　　一时间，科技圈炸开了锅，因为这意味着，在实现量子计算这条赛道上，目前谷歌可能成为了领跑的那一个！

　　毕竟就在上周，在旧金山举行的IBM Inaugural Index开发者大会上，IBM才对外展示了其50个量子比特原型机和内部结构图。

　　这个72量子比特的量子芯片到底意味着什么？这并不表示，谷歌已经造出了72量子比特的量子计算机，只是离这个目标更近了一步，这条路还很长，所以科技圈也不要太嗨。从72量子比特芯片到72量子比特的量子计算机中间还存在很多需要攻克的障碍，比如，目前超级计算机所能模拟的最大量子比特数为46量子比特，而72量子比特所需要的RAM（Random-Access Memory，随机存取存储）是46量子比特的数百万倍。

　　谷歌可能凭Bristlecone实现量子霸权

　　在2017年11月的《自然》杂志采访中，谷歌量子计算专家约翰·马丁尼（John Martinis）提出，当一台量子计算机具有大约50量子比特的时候，其计算能力和速度将超过世界上任何计算机，能解决经典计算机所解决不了的问题。

　　正因量子计算机有很多经典计算机所无法比拟的优点，目前谷歌、IBM、英特尔等科技巨头都已纷纷入局，抢夺高地。而这其中，“50量子比特”成为一个重要门槛。

　　因此，业内也将达到50量子比特的计算机称为达到了“量子霸权/量子优越性（Quantum Supremacy）”，即50量子比特的量子计算机优于现在的任何一台经典计算机。

　　不过，要实现量子霸权，仅仅达到高数量的量子比特是不够的。量子比特的低错误率至关重要，不然就会影响计算结果。只有足够多的量子比特和足够低的错误率才能实现一个真正实用的量子计算机。

　　▲错误率和量子比特位数之间的关系

　　根据谷歌的说法，实用量子计算机的最低错误率必须在1％以内，并且接近100个量子比特。从这次公布的Bristlecone量子芯片来看，谷歌似乎已经达到了这个目标，Bristlecone量子芯片达到72位量子比特，错误率为1％，单量子比特门错误率为0.1％，双量子比特门错误率为0.6％。

　　谷歌在公布Bristlecone的那篇谷歌科技博客中表示：

　　如果一个量子处理器可以在足够低的误差下运行，它就能够在一个明确的计算机科学问题上超越经典的超级计算机，这个成就被称为量子霸权。这些随机电路在量子比特数和计算长度（深度）方面都必须很大。

　　尽管还没有人达到这个目标，但我们预计，量子霸权可以用49个量子比特、电路深度超过40以及双量子比特错误率低于0.5％来达到。我们相信，量子处理器超越超级计算机的实验性演示将是这个领域的分水岭，并且仍然是我们的关键目标之一。

　　谷歌之前放过话，说在2017年内会做出一个49量子比特的量子芯片来实现“量子霸权”（Quantum Supremacy）。量子霸权，也叫做量子优势意味着量子计算机可以比世界上最快的超级计算机更快地执行一些定义明确的科学问题。

　　在谷歌宣布要在2017年内造出49量子比特的量子芯片后不久，IBM提出，对于某些特定的量子应用，可能需要56或更多的量子位以证明量子霸权。而Google似乎打算消除所有疑虑，所以现在它推出72量子比特的量子芯片并且把目标从实现49量子比特的量子计算机直接升级到实现72量子比特的量子计算机。

　　▲科学家Marissa Giustina在位于Santa Barbara的Quantum AI实验室中安装Bristlecone芯片

　　谷歌的量子霸权之路

　　谷歌宣布研制出低错误率、72量子比特的量子芯片Bristlecone，并且正在往实现72量子比特的量子计算机的方向上推进，虽然72量子比特非常令人兴奋，但是从量子芯片到量子计算机，谷歌要做的工作还有很多。

　　2017年12月，来自德国Jülich超级计算中心（Jülich Supercomputing Centre），中国武汉大学和荷兰格罗宁根大学（the University of Groningen）的研究人员宣布，他们打破了在经典超级计算机上可以模拟量子比特数量的世界纪录。

　　该团队能够在超级计算机上模拟46个量子位，打破了之前45个量子位的记录。尽管45和46量子比特之间的差别可能看起来很小，但是，每增加一个量子比特，其对于各方面的要求都是指数性增加的。通常情况下，如果其他条件相同，每个额外量子比特的内存需求会翻倍。

　　目前，最强大的超级计算机只能模拟46个量子比特，并且对于需要模拟的每个新量子比特而言，其存储需求通常会增加一倍。

　　因此，要模拟一个72量子比特的量子计算机，我们需要数百万倍的RAM（Random-Access Memory，随机存取存储），也就是2的（72-46）次方倍数。外媒Tom’ Hardware认为我们很可能无法在超级计算机中达到这样体量的RAM。

　　如果谷歌正在研究的72量子比特的量子计算机能够比我们最强大的超级计算机更快地运行任何算法，那么量子霸权时代将会到来。对此，谷歌也表示：“我们乐观但同时也是谨慎地认为，利用Bristlecone可以实现量子霸权”。

　　量子计算的发展前景

　　2017年，谷歌量子团队在Nature刊文称，他们坚信即使还缺乏能够完整纠错的理论，但5年之内仍会有与量子计算有关的小型设备问世，而这也将给投资者带来短期的回报。“早期的量子计算设备将在量子模拟，量子辅助优化和量子采样领域有商业运用。更快的计算速度对从人工智能到金融和医疗等领域具有明显的商业优势”。

　　而量子计算之所以如此重要，除了因为它“快”，还因为它可以重新定义程序和算法，颠覆众多领域，例如：

　　军事方面，一切现有的密码学全都要被重新改写，因为用量子计算机能轻易破译所有密码；医学方面，量子计算机可以模拟人体内的各种化学分子，建立起医学模拟的新模型；此外还有气象学、材料科学等种种领域都面临着量子计算的颠覆。

　　不过，目前我们离真正的量子计算机还有距离，现在，量子计算机还只是非常初步的阶段，量子比特的脆弱、不稳定性还有低精度的问题还没有解决，要实现实用量子计算机还有很长的路要走。