量子霸权里程碑：基于可编程超导处理器的突破性实验
第一作者及机构
本研究的核心团队来自Google AI Quantum（谷歌量子人工智能实验室），第一作者为Frank Arute和Kunal Arya，通讯作者为John M. Martinis。合作机构包括美国加州大学圣塔芭芭拉分校、NASA艾姆斯研究中心、德国尤利希研究中心等。研究成果于2019年10月24日发表在《Nature》期刊（第574卷）。
学术背景
研究领域：量子计算（quantum computing），具体聚焦于量子霸权（quantum supremacy）的实现。
研究动机：自20世纪80年代Richard Feynman提出量子计算机的构想以来，其核心承诺是解决经典计算机无法高效处理的复杂问题（如量子系统模拟、化学分子建模等）。然而，实现这一目标需克服两大挑战：
1. 工程挑战：构建高保真度（high-fidelity）的量子处理器，能在指数级增长的希尔伯特空间（Hilbert space）中运行算法；
2. 理论挑战：设计经典计算机难以解决但量子计算机可高效完成的任务。
本研究通过开发53量子比特（qubit）的超导处理器“Sycamore”，首次实验验证了量子霸权。
实验流程与方法
1. 处理器设计与制备
- 硬件架构：Sycamore处理器采用二维阵列的54个transmon超导量子比特（实际使用53个，因1个失效），每个比特通过可调耦合器（adjustable coupler）与邻近4个比特连接。
- 关键创新：
- 可调耦合器设计：允许快速切换比特间耦合强度（从关闭至40 MHz），显著降低串扰（crosstalk）。
- 高保真逻辑门：单比特门（25纳秒微波脉冲）和两比特门（12纳秒耦合）的保真度分别达99.84%和99.38%。
- 低温系统：芯片在稀释制冷机中冷却至20毫开尔文以下，以减少热噪声。
2. 量子电路与任务设计
- 基准任务：随机量子电路采样（random circuit sampling）。通过重复应用单比特门（X、Y、√W）和两比特门（iSWAP与部分CZ门），生成高度纠缠态。
- 验证方法：采用交叉熵基准测试（cross-entropy benchmarking, XEB），通过比较实验测量比特串的概率分布与经典模拟的理想分布，计算保真度（fidelity）。
3. 经典模拟对比
- 算法选择：对≤43量子比特的电路，使用薛定谔算法（Schrödinger algorithm）；对更大规模电路，采用薛定谔-费曼混合算法（Schrödinger-Feynman algorithm），将电路拆分为两区块并模拟路径积分。
- 计算资源：
- 尤利希超算（10万核心，250 TB内存）处理43量子比特任务；
- Google数据中心估算53量子比特、20周期（cycle）电路的模拟成本：需50万亿核心小时，耗时约1万年（对比量子处理器仅200秒）。
主要结果
量子霸权验证：
- 53量子比特、20周期电路的XEB保真度为0.224%（统计显著性5σ），证明量子处理器在特定任务上远超经典计算机。
- 经典模拟的等效任务需1万年，而量子处理器仅需200秒，实现百万倍加速。
错误模型验证：
- 实验数据支持数字化错误模型（digital error model），即量子错误可离散化为局部门操作（如比特翻转、相位翻转），为未来量子纠错（quantum error correction）奠定基础。
技术突破：
- 首次在超导系统中实现中等规模噪声量子（NISQ）计算，展示了可扩展性（scalability）和低串扰控制能力。
结论与意义
科学价值：
- 首次实验证明量子霸权，验证了量子计算在特定问题上的指数级加速能力。
- 为量子纠错和全栈量子计算（full-scale quantum computing）提供了硬件基础。
应用前景：
- 短期应用：随机数生成（certifiable randomness）、优化问题（optimization）、机器学习（machine learning）；
- 长期目标：实现Shor算法（大数分解）和Grover算法（量子搜索）。
研究亮点
- 硬件创新：可调耦合器与高保真门操作设计，解决了超导量子比特的串扰和退相干（decoherence）问题。
- 算法验证：XEB方法首次在量子霸权 regime 中实现保真度量化，无需完整经典模拟。
- 理论突破：挑战了扩展Church-Turing论题（Extended Church-Turing Thesis），提出量子计算可能超越经典图灵机的“合理”计算模型。
其他价值
- 公开实验数据以促进验证算法开发（Dryad存储库DOI:10.5061/dryad.k6t1rj8）；
- 提出“双指数增长”预测：量子计算能力或遵循类似摩尔定律的加速规律，未来需重点关注纠错技术。
（注：术语翻译示例：量子比特（qubit）、超导（superconducting）、希尔伯特空间（Hilbert space）、交叉熵基准测试（cross-entropy benchmarking, XEB））