Google量子計算AI實驗室大公開，并分享了未來十年的路線圖
Erik Lucero 博士
近日，Google 量子 AI 的首席工程師 Erik Lucero 帶全球媒體虛擬“參觀”了 Google 的量子 AI 園區，展示了園區內的一些重要實驗設備，并分享了目前 Google 在量子計算的最新進展以及一些重要洞察。
Google 量子 AI 園區位于 Santa Barbara ，Goolge 在這里研究并制造量子計算機。整個園區的裝修風格獨特，有很強的色彩感。園區內還有不少涂鴉，并且有很多有意思的小裝飾。Erik介紹了園區一張以 Google 量子處理器 Bristlecone 命名的畫，來提醒大家仿生學的重要性（Bristlecone 芯片中量子位的排列類似松果鱗片的圖案）。另外，Erik 展示了主實驗室的場景，并解釋了量子計算的原理，以及用來給量子計算制造低溫環境的設備。
Goolge 量子 AI 園區內的涂鴉
Goolge 量子 AI 園區內的涂鴉
在回答問題的環節中，Erik 表示 Google 目前已經證明了“量子優越性”，下一步的目標即實現可糾錯的邏輯量子位，最終實現可規模化的糾錯量子計算機，并預計會在未來十年內完成。在談到量子計算的具體應用時， Erik 表示目前量子計算還沒有用于解決實際問題，但未來可能解決氣候變化和食物短缺問題。
Erik 展示園區主實驗室的設備
Erik 展示園區主實驗室的設備
以下是這次活動問答環節的精選內容：
問：您能解釋一下什么是邏輯量子位嗎？
邏輯量子位由足夠多的高質量物理量子位構成，可以抽象地看作是由 1000 個物理量子位排列在二維網格中執行糾錯。目前來說，不論是網格狀的布局還是物理量子位的保真度，都是最適合我們的構架。我們對所有電子以及連接物理量子位都需要有著非常充足并且精細化的控制。
當我們可以將兩個邏輯量子位放在一起并在它們之間進行操作時，這兩個邏輯量子位便組成了第一個晶體管。
問：您能否更詳細地與我們分享 Google 量子計算的藍圖？面對量子計算和人工智能時代的興起，企業應該做哪些準備以滿足時代的需要？
我們的第一個里程碑是證明了“量子優越性”，我們在 2019 年的時候證明了量子計算具備超出傳統超級計算的能力。從那時起，我們一直在擴大系統的規模，以實際證明我們可以進行糾錯演示，并證明糾錯有效，這是第二個里程碑。
我們已經在這方面邁出了一步，今年早些時候我們發表了一篇論文，展示我們在量子糾錯方面的進展，我認為這可以算是里程碑 1.5。
第三個里程碑是實現糾錯邏輯量子位。在證明量子糾錯后，將其擴展到一個足夠大規模的系統來證明大規模構建糾錯邏輯量子位是可行的。
第四個里程碑將兩個邏輯量子位（由 1000 個物理量子位構成）平鋪在一起組成量子晶體管。
第五個里程碑是采用該系統并將其擴展到 100,000 個物理量子位。
第六個里程碑則是形成一個完整的糾錯邏輯量子位。
我們現在正處于硬件的黃金時代，我們需要發明真正能夠幫助拓展系統的硬件，為未來做好準備。
我們相信我們可以在本世紀末實現這種糾錯的量子計算機。我們為這些里程碑制定了一個大約 10 年的路線圖。
問：在 Google 量子計算中是否也會用到開放的標準或開源的技術？ 您的工作有多少是基于開放標準或開源的？
是的，我們有豐富的開源產品，Google 也非常支持這種文化。我們開發了一種名為 Cirq 的語言，任何人都可以下載并使用Cirq進行編程，設計量子電路以在我們的模擬器和量子硬件上運行。
除此之外，我們在資源庫中提供了豐富并且重要的內容。其中之一是 OpenFermion，與量子化學的內容相關。第二個是建立在 Google 經典計算硬件上的量子TensorFlow。我們的張量處理器（TPU）就是運行在這一系統上，并處理量子模擬和機器學習等問題。
所以除硬件外，其他的技術基本上都是開源的。我們很高興能夠加入一些開源的聯盟，幫助定義這些開放標準。我們其實已經在效仿其他 Google 的開源項目（例如TensorFlow）。
問： Google 量子計算機仍將主要由硅制造嗎？
在制造量子計算機時，我們會選擇使用已經成熟的硅材料，不過當然，我們會將鋁放在硅上。我認為現階段可能更重要的是探索量子架構，其中就最有力的例證就是超導量子位。
問：在計算處理方面， Google 是否計劃要結合量子計算和人工智能的優勢？量子計算與超高性能人工智能相比有什么不同？
首先我想解釋一下經典計算范式和量子計算范式之間的不同。今天，我們所有的真正高性能的經典計算都屬于同一類，其實就像是算盤在做布爾邏輯。而量子計算機實際上是用更豐富的計算空間（量子力學）替換布爾邏輯，使我們能夠探索經典計算機中可能沒有的計算空間。所以，量子計算機和經典計算機兩者是完全不相同的。
我非常喜歡思考云、計算機和量子計算機的共生關系，以及我們可以利用這種共生關系做些什么。在我們的園區大家可以看到有很多經典計算機在幫助支持和運行我們的量子計算機。我們相信機器學習中的某些元素可以由量子計算機實際接管，先從經典計算過渡到量子計算，并且量子計算機可能會更快地學習或找到新的技術，然后再把這些新的發現轉回到經典計算機上。所以我認為這真的是一種共生關系，并不是非要擇其一，它們可以一起工作。
問：除了量子糾錯，真正實現量子計算還有哪些大的挑戰？量子計算可以解決普通人實際生活中的哪些問題？
糾錯絕對是真正實現量子計算機最大的挑戰之一。所有在經典計算機上實現的驚人功能基本上都是因為我們已經在經典計算中實現了糾錯。
所以我們的下一個里程碑就是要實際證明量子糾錯是可行的，并且是在少量的量子位或100個量子位上實現的。一旦量子糾錯被證明，就可以將其擴展到邏輯量子位，然后從邏輯量子位擴展到糾錯量子計算機之前的量子計算機。因此，我們今天面臨的巨大挑戰是證明量子糾錯在任何一種量子計算架構中都是有效的。目前還沒有人真正證明這一點。我們很高興能在這里分享我們的里程碑。
關于量子計算可以解決普通人實際生活中的哪些問題？我之所以喜歡在 Google 工作，正是因為我們有機會可以給世界帶來強大的工具，了解到無論是登錄網絡，還是搜索在未來某一天會得到量子計算機的支持。
另外，量子計算機的直接應用是可以幫助全世界解決饑餓問題。現在我們使用大量的氮作為肥料，我們相信如果真的有一臺量子計算機，會計算出更好的方法可以模擬大自然生產氮，這樣我們就可以以更低的能源成本養活世界上的每個人。
問：低溫環境是否只與 Google 正在研究的超導量子位有關？
我們知道之所以要在低溫環境下進行研究是有幾個原因的。 其中一個是因為我們使用的是超導量子位，所以需要確保溫度要低于我們使用的金屬和材料的臨界溫度，只有這樣我們才能夠達到超導并從中受益。 另一個是對量子位實際能量非常關鍵的因素。 我認為我們設計的特定量子位，（其過程）類似于制造原子。 我們通過實際構造物理結構來制造原子。這些結構是由超導電路制成的電感器和電容器。 然后我們再鋪設鋁金屬，將它們塑造成電感器和電容器，這實際上是一個諧振器。
這些系統中的能量會轉換為溫度，而該溫度最終會達到數百個毫開爾文。 所以只要我們能夠實現比這個溫度更冷的溫度，那么量子位中的能量就是最大的信號，而不是熱噪聲。 所以我們必須為超導降低溫度，只有變冷才能使量子信號遠高于熱噪聲。
我還在考慮使用第一臺量子計算機來構建第二臺。 我們相信可以用超導量子位實現第一臺量子計算機。 我們預計會在 10 年內完成。在第一臺量子計算機實現之后，它會幫助我們找出更好的材料來使用，我們可能不需要那些低溫冷卻器來制造第二臺量子計算機。
問：你提到量子計算機的工作溫度就像超級、超級冷。 您和其他的科學家們是如何對其進行實驗的？ 你們必須穿戴特殊設備嗎？
我要給你看一下實驗室里的這些罐子。 這些是進入低溫恒溫器的單個罐子。 我們所做的就是將所有這些罐子放在系統上，一個套著一個放。 這個顏色非常鮮艷的真空罐是系統上的最后一個罐子，您可以看到頂部有一個 O 形環。
之后我們將這個系統連接到低溫恒溫器上。 然后我們將里面的空氣抽走，這些系統內部就會變成是真空的。 我們將整個腔室都抽成真空。 然后我們使用在冰箱中的所有管道來冷卻它。 唯一連接在一起的是所有這些金屬臺，它們由一個專門的冰箱進行冷卻。所以得益于這些技術，我可以很幸運地在這個 300 開爾文（約 27°C）的實驗言，不用擔心自己會結冰。
問：您能否解釋下 Google 量子計算機最近與時間晶體有關的突破？媒體報道稱，這一突破讓科學家們可以跳出熱力學第二定律。
像金屬一樣，晶體以固態存在，并在物理的三維空間中存在。從空間上來看，晶體中的原子會自行排列，并且有一定的周期性。晶體結構中的原子會以特定的格子形式進行排列，并且有很多不同的方式。
我們最新的研究證明了在時間層面也可以實現這一點。通過相互作用，每個時間晶體結構都保持了分子集合的完整性，以不同的規律運動。時間晶體不消耗任何能量，而只是在不同的狀態間變化，呈現周期性。
