量子计算一直被认为是下一代工业革命的引擎。各国和科技公司都全力投入量子计算及相关软件的研发。前段时间，谷歌的量子AI团队也对其2021进行了总结。虽然量子计算仍然是一个具有挑战性的课题，但研究人员表示，他们在过去的一年里一共发表了18篇论文，成果丰硕，尤其是在构建完全纠错的量子计算机方面.-修正的量子计算机）取得了重大进展。QuantumAI团队已经在致力于下一个硬件里程碑：纠错量子位原型。硬件创新要进行量子计算，量子计算机必不可少，因此硬件开发也是重中之重。今年5月，谷歌正式公布了位于圣巴巴拉的QuantumAICampus，其中有数据中心、芯片制造设施、研究实验室和巨大的办公区，所有这些都用于构建和运行量子计算机服务。的。当时，谷歌量子人工智能团队的总工程师埃里克·卢塞罗给自己定下了一个小目标：在未来十年内打造一台纠错量子计算机。他们还希望利用在开发硬件时获得的知识和经验来开发转换型量子计算机应用程序。谷歌提出2029年交付量子计算机，主要是因为谷歌在量子硬件的研发上确实有所作为，大致可以分为以下三点：1、谷歌已经证明量子计算机在特定任务上的性能优于今天的经典超级计算机。电脑。2019年10月23日，谷歌声称在他们的量子芯片Sycamore上运行该任务大约需要200秒。届时，地表最强大的超级计算机Summit需要一万年才能完成相应的任务。成果刊登在当时的顶级期刊《自然》杂志上。一时间全球哗然，业界普遍认为这是量子计算发展的开创性里程碑，甚至可以与莱特兄弟在小鹰号的首次航空飞行相提并论。不过，量子霸权这个词在国内一直饱受争议，因为谷歌宣称的一万年其实是有水分的。后来，研究人员逐渐将任务运行时间缩短至5天，并没有想象中的碾压优势，所以业界目前更多的是用量子优势来表达。2.谷歌有能力构建纠错量子比特的原型。与经典计算机一样，量子计算机容易出现由底层物理系统的“噪声”引起的错误。如何处理这些错误是一个艰巨的挑战。普通计算机可以通过简单地复制位并使用这些副本来验证正确的状态来防止错误。但量子计算机无法做到这一点，因为量子力学禁止将一个量子位的未知状态复制到其他量子位。谷歌物理学家JulianKelly研究了量子处理器“Plana”的量子纠错能力，它包含一个由54个超导量子位组成的二维阵列。研究人员运行了两种类型的量子纠错码，一种由多达21个量子位组成的一维链重复码来测试错误抑制能力，另一种由7个量子位组成的二维表面码，作为证明与更大码的设置兼容性的原理实验。研究表明，通过将基于重复码的量子比特数从5增加到21，逻辑错误的抑制实现了高达100倍的指数增长。这种纠错能力在50次纠错实验中是稳定的。但凯利表示，尽管如此，该团队只是在彻底纠正错误的路上。他们未能解决影响量子位的两种类型的错误：位翻转和相位翻转。谷歌目前的目标是通过在多个物理量子比特上冗余编码量子信息来实现量子纠错的原语，并证明这种冗余导致使用单个物理量子比特的改进，这也是谷歌目前努力的方向。3.谷歌有能力构建一个在任意长时间内都没有错误的逻辑量子比特。逻辑量子位跨多个物理量子位对信息进行冗余编码，能够减少噪声对整个量子计算的影响。将数千个逻辑量子位放在一起将使谷歌能够充分发挥量子计算机在各种应用中的潜力。纠错量子比特进展今天的各种量子计算机与未来完全纠错的量子计算机之间的差距仍然很大。2021年，谷歌一直致力于构建逻辑量子比特原型（prototypelogicalqubit），并将其误差降低到谷歌芯片上物理量子比特的误差以下，这对量子计算机的发展来说是一大进步。这样做需要改进整个量子计算堆栈，因此谷歌构建了一个具有更好量子位的芯片，并改进了芯片的封装方式，以更好地将它们与谷歌的控制电子设备集成在一起。连接并开发了同时校准具有数十个量子位的大型芯片的技术。这些改进最终产生了两个关键成果。首先，谷歌现在能够以高保真度重置谷歌的量子比特，允许谷歌在量子计算中重复使用量子比特。其次，谷歌实施了中路测量，这使谷歌能够跟踪量子电路内的计算。在谷歌最近使用重复码和相位翻转错误对位和相位翻转错误进行指数抑制的演示中，通过同时使用高保真复位和中间电路测量，在代码数量增加时错误减少了100倍从5到21个量子比特。重复码是一种常见的纠错工具，可以让量子计算机在资源（更多量子比特）和性能（更低错误）之间进行权衡，这也是谷歌未来硬件发展的核心指导思想。2021年，谷歌还研究了误差如何随着一维码中包含的量子比特数的增加而减少。谷歌目前正在进行实验，将这些结果扩展到二维表面代码（2-dimensionalSurfacecodes），可以更全面地纠正错误。量子计算的应用除了构建量子硬件，谷歌团队还在寻找量子计算具有明显优势的真实应用场景。谷歌正在与学术界和工业界的从业者合作，探索量子计算机可以提供显着计算加速的领域，预期的结果也很现实：纠错量子计算机应该至少实现二次加速才算有效。意义的提高。谷歌和加州理工学院的一项联合研究结果表明，在某些条件下，量子计算机可以通过比传统要求少得多的实验来了解物理系统。新提出的方法使用40个量子比特和1300个量子运算进行了实验验证，即使在谷歌当前嘈杂的量子运算中也展示了巨大的量子优势，同时为量子机器学习提供了强大的基础。并为量子传感的工作铺平了道路。谷歌与哥伦比亚大学的研究人员合作，将最强大的化学模拟技术量子蒙特卡洛与量子计算相结合，成功超越了以往的方法，现已成为基态多电子计算（groundstatemany-electroncalculations).一种有前途的量子方法，对于创造新材料和理解它们的化学性质至关重要。即使在具有多达16个量子位的计算设备中存在噪声，谷歌也能够在不牺牲测量精度的情况下将之前的计算量增加一倍。谷歌还在继续研究如何使用量子计算机来模拟量子物理现象。去年11月30日，谷歌在《自然》杂志上发表文章称，他们通过Sycamore量子计算硬件创造了时间水晶。对于近一个世纪以来一直在思考时间晶体的可能性的理论物理学家来说，这是一个伟大的时刻。在另一项工作中，谷歌与美国宇航局艾姆斯研究中心的合作者合作，通过在谷歌的一台量子计算机上实验测量无序相关性（测量乱序相关性）来探索量子混沌动力学。与慕尼黑工业大学的合作者使用浅量子电路（shallowquantumcircuits）来创建他们的本征态（eigenstates），并通过实验测量了复曲面码哈密顿量基态的纠缠熵（entanglemententropyofthegroundstateoftheToric代码哈密顿量）。谷歌表示，2021年许多最有影响力的研究成果都是与来自各个研究机构的合作者完成的，其中一些也启发了谷歌下一步的研究方向。2022年，谷歌量子人工智能将继续与其他合作者合作，探索并实现有意义的量子应用、量子化学和多体量子物理。
