量子计算到底有多先进?

最近，通往量子计算的道路上似乎有更多的里程碑。从头条新闻来看，每周都有另一项重大公告——量子比特尺寸的进步，或者另一项破纪录的投资:首先IBM宣布了一项127 -量子位芯片．然后QuEra宣布了一个256量子比特中性原子量子计算机．现在有了一家新的巨型量子计算公司。”Quantinuum“多亏了霍尼韦尔量子解决方案公司和剑桥量子公司的合并。今天谷歌的是梧桐宣布了另一个飞跃量子纠错。

一个脾气不好的人可能会说，量子计算就像核聚变，或者任何有前途的技术，其真正的回报是几十年后才能实现的。未来仍然遥远，现在对我们来说只是烟雾、镜子和炒作。

为了反驳怀疑者，乐观主义者可能会指出学术界和工业界正在进行的大量顶级研究。如果每周都有新消息，那就表明，把数亿美元投入到一个真正困难的问题上，实际上是有回报的。

为了衡量量子计算作为一个领域究竟有多大的进步，我们与约翰·马蒂尼他是加州大学圣巴巴拉分校的物理学教授，也是前首席建筑师谷歌的无花果树．

亚博真人yabo.atIEEE光谱:你公布西克莫的研究结果已经两年了。在过去的几周里，我们看到了IBM的127量子位芯片和QuEra的256量子位中性原子量子计算机的公告。你认为实际上已经取得了什么样的进展?

约翰·马丁尼斯:很明显，每个人都在努力建造量子计算机。人们正在研究所有这些系统，这很好。这是真正的进步。但如果你回到量子霸权实验的一个要点——也是我几年来一直在谈论的事情——其中一个关键要求是门误差。我认为此时门误差比量子比特的数量重要得多。很高兴能证明你能制造出大量的量子位，但如果你制造得不够好，就不太清楚进步是什么。从长远来看，如果你想进行复杂的量子计算，比如纠错，你需要远低于1%的门误差。因此，人们正在构建更大的系统是件好事，但更重要的是看到量子比特工作情况的数据。在这方面，我对中国的小组印象深刻，他们再现了量子霸权的结果，他们表明他们可以以低误差很好地运行他们的系统。

约翰·马蒂尼斯宾塞Bruttig UCSB /

我想深入探讨“规模与质量”，因为我认为人们很容易理解127个量子位是更多的量子位。

是的，这是一个很好的进步，但计算机公司知道所有的系统工程，所以你也必须通过制造误差更低的量子位来提高可靠性。

所以我知道谷歌，我相信克里斯·门罗的团队这两家公司今年都公布了容错能力。你能谈谈这些结果吗?

我认为做这些实验是件好事。能够进行纠错是该领域的一大进步。不幸的是，我并不完全同意将这种实验称为容错，因为它会让人觉得你已经解决了纠错问题，但实际上这只是第一步。最后，您希望进行错误更正，使净逻辑错误率(rate)接近10^-10到10^-20.我们所做的实验并没有告诉你这是可能的。

是的，我想大概有10个^-3.．

这取决于你想如何量化它，但它不是一个很大的因素。如果你有更多的量子比特，它可能会更好一点，但你可能必须以不同的方式构建它。我不认为过度宣传结果会让人们认为你已经接近成功了，这对这个领域来说是件好事。这是进步，这是伟大的，但还有很长的路要走

我记得IBM曾经吹捧他们的量子体积作为一个更合适的通用基准。你有什么想法吗?人们如何合理地比较不同群体之间的主张，甚至使用不同类型的量子比特?

度量标准是需要的，但仔细选择它们很重要。量子体积是一个很好的度量标准。但是，像量子计算机系统这样全新而复杂的系统真的可以用一个指标来表征吗?你甚至不能用一个指标来描述你的电脑，你的手机。在这种情况下，如果有任何衡量标准，那就是手机的价格。

(笑)是的，那是真的。

我认为在这个时候考虑一套指标更为现实，这需要在未来几年弄清楚。在这一点上，构建量子计算机是一个系统工程问题，你必须让一堆组件同时正常工作。量子体积很好，因为它将几个指标组合在一起，但尚不清楚它们是否以最佳方式组合在一起。当然，如果你有一个单一的指标，你倾向于优化那一个指标，这并不一定能解决最重要的系统问题。我们做量子霸权实验的原因之一是，你必须让所有的东西同时正常工作，否则实验就会失败。

我的意思是，从我的角度来看，唯一可靠的基准——或者我甚至能看到的——通常是某种抽样问题，无论是玻色子抽样还是高斯玻色子抽样。正如你所说，它试图看到:你真的能比这些经典计算机获得量子优势吗?然后，当然，你会有一个非常有趣的争论，关于你是否可以欺骗结果。但这里确实发生了一些事情。不仅仅是公关。

是的。你正在进行一个定义明确的实验，然后你直接将它与经典计算进行比较。玻色子采样是第一个提议，然后谷歌理论小组想出了一种用量子比特做类似实验的方法。关于玻色子采样，中国科大有一个很好的实验有一场有趣的辩论说这个实验是按照一种你可以经典计算结果的方式构建的，而中国科技大学认为存在难以计算的高阶相关性。通过这场辩论，科学家们对这些指标有了更多的了解，这真是太好了。不同的小组一直在研究谷歌量子霸权实验的经典计算部分，这也是一件好事。我仍然感兴趣的是IBM是否真的会运行他们的算法在超级计算机上验证它是否可行。但量子霸权实验最重要的结果是，我们证明了在运行复杂的量子计算时，没有额外的错误，无论是基本错误还是实际错误。因此，随着我们继续制造更强大的机器，这对该领域来说是个好消息。

这很有趣，因为我认为理论和实验之间有真正的相互作用，当你接触到前沿的东西时，人们不太确定任何一方在哪里，双方都在不断前进。

对于经典计算机来说，理论和实验之间总是有很好的相互作用。但由于量子计算机具有指数级的能力，而且这些想法仍然是新的、未经测试的，我们期待科学家们继续保持创造力。

质量的下一步是什么?你说那是主要的障碍。我们还远远没有达到我们所需要的那种忠诚。纠错的下一步是什么?我们应该找什么?

在去年谷歌有一个很好的纸位翻转或相位翻转的错误修正。他们很好地理解了这个实验，并讨论了他们必须做些什么，才能使误差校正在同时拥有比特和相位的情况下正常工作。很明显，一段时间以来，主要的进展是改善门误差，并建立具有更好相干性的超导量子比特。这也是我几年来一直在思考的问题。我认为这是完全有可能的，特别是最近IBM宣布他们能够在整个阵列中构建具有长相干时间的127量子比特设备。例如，如果你能在谷歌梧桐处理器更复杂的架构中拥有这种一致性，那么你就会有非常好的门误差，远低于0.1%。由于系统工程问题，这当然不容易，但它确实表明超导量子比特有很大的改进空间。

IBM的127量子比特量子处理器IBM

你说在门耦合控制和量子比特的相干时间之间有一个权衡。你觉得我们能解决这个问题吗?

显然，工程学和物理学是相互矛盾的。但我认为这是可以克服的。我对解决这个问题很乐观。人们知道如何制造好的设备，但我们可能需要更好地理解所有的物理和约束条件，并能够准确地预测相干性。我们需要更多的研究来提高这项技术的技术准备水平。

你认为最容易被忽视的、需要克服的潜在障碍是什么?我写过控制芯片比如，消除枝形吊灯般的电线，并着手制作真正能装进你的dil冰箱的东西。

从谷歌开始，我已经考虑布线大约五年了。我不能说，但我觉得有个很好的解决办法。我认为只要集中精力，这是可以建成的。

有没有什么是我们没有谈到的，你认为对人们了解量子计算的现状很重要的?

我认为现在研究量子计算是一个非常令人兴奋的时刻，现在有这么多有才华的工程师和科学家在这个领域工作，这真是太棒了。在接下来的几年里，我认为人们会更多地关注构建量子计算机的系统工程方面。由于系统工程的一个重要部分是测试，因此必须开发更好的度量标准。量子霸权实验很有趣，因为它表明可以构建一个强大的量子计算机，下一步将展示一个强大而有用的计算机。然后这个领域就会真正起飞。

某种标准化。

是的，这将是重要的下一步。我认为这套标准将有助于商界和投资者，因为他们将更好地了解正在发生的发展。

不完全是消费者金融保护局，而是对投资者的某种商业保护。

有了这样的新技术，很难理解是如何取得进步的。我认为我们都可以设法更好地沟通这项技术是如何发展的。我希望这个问答对你有所帮助。