谷歌量子人工智能團隊在2021年取得了豐碩的成果。盡管全球性挑戰持續存在，但谷歌在建構完全糾錯的量子計算機方面依舊取得了重大進展，并朝着下一個硬體裡程碑——建構糾錯量子比特原型機努力。
與此同時，谷歌将繼續緻力于實作量子計算機在各種應用中的潛力。這就是為什麼谷歌在頂級期刊上發表研究成果，與學術界和工業界的研究人員合作，并擴大我們的團隊以引進新的人才和專業知識。
硬體更新
量子人工智能團隊決心在未來十年内建構一台糾錯量子計算機，并同時利用其在此過程中學到的知識來提供有用的，甚至是變革性量子計算應用程式。這一長期承諾可概括為量子硬體的三個關鍵問題：
1.能否證明量子計算機在特定任務中的性能可以超越當今的經典超級計算機？谷歌在2019年展示了“量子優越性”。
2.可以建立一個糾錯量子比特的原型嗎？為充分發揮量子計算機的潛力，需要實作量子糾錯，以克服計算過程中存在的噪聲。作為朝這個方向邁出的關鍵一步，谷歌的目标是通過在多個實體量子位上備援地編碼量子資訊來實作量子糾錯的原語，證明這種備援會導緻使用單個實體量子位的改進。這是谷歌目前的目标。
3.可以建構一個在任意長時間内都沒有錯誤的邏輯量子位嗎？邏輯量子位在多個實體量子位之間對資訊進行備援編碼，并且能夠減少噪聲對整體量子計算的影響。将幾千個邏輯量子位放在一起将能夠實作量子計算機在各種應用中的潛力。
谷歌建構糾錯量子計算機之旅的互動式地圖
建構糾錯量子比特原型的進展
今天嘈雜的量子計算機與未來完全糾錯的量子計算機之間的距離是巨大的。2021 年，谷歌在縮小這一差距方面取得了重要進展，他們建構了一個原型邏輯量子位，其誤差小于其晶片上的實體量子位的誤差。
這項工作需要對整個量子計算堆棧進行改進。谷歌制造了具有更好量子位的晶片，改進了用來封裝這些晶片的方法，以更好地将晶片與控制電子裝置連接配接起來，并開發了同時校準具有幾十個量子位的大型晶片的技術。
這些改進最終産生了兩個關鍵結果。首先，谷歌現在能夠以高保真度重置他們的量子位，并能夠在量子計算中重用量子位。其次，谷歌實作了中間電路測量，使其能夠跟蹤量子電路内的計算。在谷歌最近使用重複碼對位和相位翻轉錯誤進行指數抑制的示範中，高保真重置和中間電路測量被同時使用，随着重複碼中量子位數量從5增長到21，對邏輯錯誤的抑制實作了最多100倍的指數級增長。
重複碼是一種糾錯工具，使谷歌能夠在資源（更多量子比特）和性能（更低錯誤）之間進行權衡，這将是指導未來硬體研發的核心。2021年，谷歌展示了随着一維代碼包含的量子位數量，錯誤将如何減少。
谷歌目前正在進行實驗，以将這些結果擴充到二維表面碼，進而更全面地糾正錯誤。
量子計算的應用
除了建構量子硬體，谷歌團隊還在現實世界應用中尋找量子優勢的明顯邊際。谷歌正在學術界和工業界的合作者一起探索量子計算機可以提供顯著加速的領域，并有現實的期望，即糾錯量子計算機可能需要比二次加速更好的加速才能實作有意義的改進。
2021年谷歌與學術和行業合作夥伴的合作是非常寶貴的。
·2021年12月，谷歌與加州理工學院的一項值得注意的合作表明，在某些條件下，量子機器可以通過比傳統要求少得多的實驗來了解實體系統。這種新穎的方法通過使用40個量子位和1300個量子操作進行實驗驗證，即使使用今天的嘈雜型量子處理器，也具有巨大的量子優勢。這為量子機器學習和量子傳感方面的更多創新鋪平了道路，并具有潛在的近期用例。
·2021年6月，谷歌與哥倫比亞大學的研究人員合作，将最強大的化學模拟技術之一——量子蒙特卡羅與量子計算相結合。當在真正的量子計算機上運作這項技術的元件時，能夠在不犧牲測量精度的情況下将先前計算的規模擴大一倍，即使在具有16個量子位的裝置上存在噪聲的情況下也是如此。并且，即使在當今的量子計算機上，這種方法對噪聲的恢複能力也表明其具有可擴充性的潛力。
谷歌還研究如何使用量子計算機來模拟量子實體現象——最近，研究人員利用谷歌量子處理器成功制造了時間晶體。這對理論家來說是一個偉大的時刻，他們思考時間晶體的可能性已經近一個世紀。在其他工作中，谷歌與NASA艾姆斯研究中心的合作者共同完成了在台量子計算機上通過實驗測量無序相關性，探索量子混沌動力學的出現；并通過與慕尼黑技術大學的合作者使用淺量子電路建立其本征态，實驗測量了Toric碼哈密頓量基态的糾纏熵。
谷歌感謝合作者為其在2021年的一些最有影響力的研究中做出的貢獻，甚至啟發了他們。谷歌量子人工智能團隊繼續專注于機器學習、化學和多體量子實體學，并将在2022年及以後繼續與來自世界各地的科學家和研究人員合作，以發現和實作有意義的量子應用。
持續投資量子計算生态系統
2021年，在谷歌年度開發者大會“Google I/O”上，谷歌重申了其在十年内制造出有用的量子計算機所需的路線圖和投資的承諾。谷歌承諾，在忙緻力于聖巴巴拉發展的同時，還繼續通過其開源軟體支援量子社群研究人員的發展。谷歌的量子程式設計架構Cirq在社群的貢獻下不斷改進。 2021年谷歌還與生态系統中的合作夥伴合作釋出了專業工具。其中幾項如下：
·與QSimulate合作釋出用于量子化學應用的新型費米子量子模拟器，利用量子化學問題中的對稱性來提供有效的模拟。
·量子計算機模拟器工具包qsim的重大更新，允許通過谷歌雲在GPU等高性能處理器上模拟嘈雜的量子電路，同時，qsim 與英偉達的cuQuantum SDK 內建，使qsim 使用者能夠在開發量子算法和應用程式時充分利用英偉達的 GPU。
·谷歌還釋出了一個名為stim的開源工具，它在模拟糾錯電路時提供了1萬倍的加速。
展望2022年
通過團隊合作、協作和一些創新科學，谷歌在對2021年取得的進展感到興奮的同時，對2022年寄予厚望。2022年，谷歌将繼續專注于推進其硬體裡程碑、新量子算法的發現以及實作當今量子處理器上的量子應用。并且，為完成這一艱巨任務，谷歌正擴大其團隊，建立其現有的合作者網絡，并擴大聖巴巴拉校區。
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