人们很早就认为，量子计算机有望实现世间最强大的传统计算机也无法（至少非常难）实现的某些计算。目前，加州戈利塔谷歌实验室中的研究人员可能很快便可以证明这一理论，他们所使用的量子比特（或称量子位）未来或许会用于制造大型量子机器。
该团队计划到今年年底将集成电路中自制超导量子比特的数量提升到7×7阵列。谷歌研究人员力求通过该量子集成电路，达到最好的超级计算机所能达到的最高水平，以此证明“量子霸权”。
“多年来我们一直在探讨，如何借助量子力学的运行方式，使量子处理器成为强大的机器。我们很想具体地演示这一过程。”团队成员约翰•马蒂尼（John Martinis）如是说。马蒂尼是加州大学圣巴巴拉分校的教授，于2014年加入谷歌团队。
物理学家们认为，要实现那些长期以来激励着他们进行量子计算研究的算法，一个仅有49超导量子比特的系统还远远不够；秀尔（Shor）算法便是上述算法的其中一种。这一算法实质上是一种计算方案，能够让一台量子计算机快速将大数分解为因子，由此破解现代密码学的其中一个基础要素。马蒂尼及其同事近期在《自然》期刊发表的一篇文章中预计，在将来的某一天，如果人们想要分解一个2000比特的数字——也就是一个常见的公开密钥长度，那么他们将需要一个拥有1亿量子比特的系统。而大部分量子比特都将用来创建执行运算、修正误差所需的各种特殊量子态，以此从数千个不稳定的物理要素中创建只有1000比特左右的、稳定的“逻辑量子比特”，马蒂尼如是说。
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在这个49量子比特的系统中，并没有额外配置此类基础结构。这也就意味着，要想确立量子霸权，就必须采取不同的运算方式。为了展示该芯片与传统计算机相比所具备的优势，谷歌团队必须在该阵列中进行相关的操作，使其产生混乱，然后生成看似随机的输出结果。实际上，传统的计算机可以模拟小型系统的此类输出，例如，根据劳伦斯伯克利国家实验室在4月份的报道，其29千万亿次的超级计算机Cori已经模拟出了45量子比特的输出。而这一输出可能会接近或超出传统超级计算机的能力上限。
虽然此类计算目前尚未具备明确的实际应用，但根据马蒂尼所述，研究这一方法，除了要证明量子霸权外，还有一些其他原因。用于生成49量子比特阵列的量子位也可以用来构建更大的、具有纠错能力的“通用型”量子系统；而这种系统可以完成类似解密的操作。因此，这种芯片可提供有用的验证数据。
根据该团队的猜想，对于那些纠错能力较差或是不具备任何纠错能力的系统来说，依旧还有尚未开发的计算潜力。“若果真如此，就真的太棒了。因为我们不用等待太长时间，立刻就可以得到自己想要的有用产品。”马蒂尼如是说。根据该团队的假设，化学反应和化学材料的模拟可能是潜在的应用之一。
近期，谷歌在9×1量子比特阵列上对这一方法进行了一次空运行，并在2×3阵列上测试了一些制造技术。提高量子比特数量将分阶段进行。“这是一个具有挑战性的系统工程问题。”马蒂尼说，“我们不得不扩大这个阵列，同时保证量子比特的良好运行。我们既不能使精确度有任何损失，也不能使出错率上升。但我必须申明，出错率与规模之间是存在某种竞争关系的。”他还说，该团队甚至认为，即便不具备纠错功能，也有方法将该系统扩大至超过50量子比特。
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谷歌并不是唯一研究如何构建不具备纠错功能的更大量子系统的公司。3月份，IBM公司发起了一项计划，打算在未来几年研发出一个超导量子比特系统，规模也是约为50量子比特，并实现云接入。“50是一个有魔力的数字。”IBM公司负责该领域的副总裁鲍勃•苏托尔（Bob Sutor）说，因为在达到这一水平后，量子计算机在某些任务上开始超越传统计算机。
自从D-Wave系统公司开始提供商业量子计算机后，超导量子比特的质量在这几年里得到了显著的提升，得克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授斯科特•阿伦森（Scott Aaronson）如是说。总部设在加拿大不列颠哥伦比亚省本拿比市的D-Wave公司宣布，其所研发系统的运行速度已经超越了传统的计算机。但根据阿伦森所述，尚未有可信的证据可以证明这一情况。他说，谷歌已明确要证实量子霸权是“不容小觑和质疑的”。
阿伦森说，约50量子比特的芯片是否可以执行有用的任务，目前尚不明确，也不确定能否在不具备纠错功能的前提下研发出更大型的系统。但他同时也说道，尽管情况如此，量子霸权的证明依旧是一个重要的里程碑。人们为了研发出大型通用量子计算机付出了巨大的努力，而量子霸权则是自然而然的衍生物：“尽可能明确地确认这个世界的运行方式，是一件绝对值得去做的事情。当然，如果我们将量子霸权视为技术的衍生品，而这项技术最终必然会发挥自己的作用，那我们又有什么理由不这样做呢？”
作者：Rachel Courtland
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