2019年10月，谷歌宣布，他们已经演示了在几秒钟内完成当时最大、最先进的超级计算机需要数千年才能完成的计算的能力，从而首次实现了被称为“量子霸权”的里程碑。他们使用了一个名为“Sycamore”的处理器，带有 54 个可编程超导量子位，在 53 个量子位（一个未运行）上创建量子态，对应于2的53次方的计算状态空间 （相当于大约10的16次方或超过一千万亿次计算）。他们使用一个由 54 个 transmon 量子位组成的二维阵列来实现这一点，其中每个量子位可调谐地耦合到四个最近的相邻位。每个 transmon 有两个控制：一个用于激发量子比特的微波驱动器，一个用于调整频率的磁通量控制。

2019年末，中国科学技术大学的研究人员宣布实现量子霸权，研究人员利用名为“九章”的量子计算机通过复杂的光学设备阵列操纵光子，包括光源、数百个分束器、数十个镜子和 100 个光子探测器。该设备在 20 秒内完成了计算，而这需要一台超级计算机 6 亿年的时间。自从这些突破以来，谷歌和中国科学技术大学都提高了他们的量子比特利用率，现在其他几家公司已经成功地运行了具有数十个量子比特和几个 100 个或更多量子比特的量子计算机。

让我们回顾一下关于量子计算性能测量的一些语义。2012 年，加州理工学院理论物理学教授John Preskill首次创造了“量子霸权”一词来描述量子计算机可以做经典计算机不能做的事情，无论这些任务是否很有用。” 在任何实际的量子计算机建成之前，他就创造了这个术语。当时，Preskill 想知道，用他的话说，“控制大规模的量子系统是真的很难 ，还是很难得离谱。在前一种情况下，我们可能会在几十年后成功建造大型量子计算机。在后一种情况下，我们可能几个世纪都不会成功。” 从这个意义上说，并且基于 Preskill 的初衷，谷歌的声明是量子霸权的一个真实例子，并表明“未来十年左右可能会出现大量的量子技术”。

因此，尽管谷歌 Sycamore 量子霸权的主张被打了折扣，尽管这是一个公认的高度人为且不是很有用的计算，但它是一项开创性的成就。

在我进入我们如何测量量子计算能力的语义之前，以下是量子社区对量子进步的一般含义：

量子霸权：这个术语仍然保留了 Preskill 的原始语境，被认为是证明量子计算可行的第一步。具体来说，它的意思是：“证明可编程量子设备可以解决任何经典计算设备无法在可行的时间内解决的问题，无论问题的有用性如何。” 根据定义，这个门槛自 2019 年 10 月以来已经通过，事实上，除了谷歌之外，还有几家不同的公司已经证明了这一点，这就是为什么我将当前的障碍称为工程挑战而不是理论挑战。

量子优势：指已成功证明量子计算机比经典计算机能更快地处理实际问题。

虽然人们普遍认为我们已经实现了量子霸权，但预计量子优势还需要几年的时间。

我们如何衡量量子计算性能？

操作量子比特的数量不适合作为衡量标准。想象一下，如果你正在购买一辆新车。如果唯一可用的指标是“马力”，那么决定购买哪辆车将非常困难。就其本身而言，马力只是衡量汽车性能的一种方式。它不考虑实际的加速功率、燃油效率、乘坐舒适性、操控性、噪音水平、腿部空间、光滑度、颜色/装饰/样式等。即使我们正在考虑使用计算机，例如，只关注时钟速度也不会提供足够广泛的信息以做出明智的购买决定。虽然量子计算机处于非常早期的阶段，但只需测量特定的计算速度或使用的量子比特数，不足以准确描述实际的性能能力。IBM 的研究人员提出了“量子体积”一词，以实现对量子计算性能的系统测量。它是通过计算可以成功实现的方形量子电路的最大尺寸来衡量量子计算机的能力和错误率的指标。虽然细节有点深奥，但它旨在提供一个数字或分数，用于比较增量技术、配置和设计变化，以及比较一台量子计算机与另一台量子计算机的相对能力。它是通过计算可以成功实现的方形量子电路的最大尺寸来衡量量子计算机的能力和错误率的指标。虽然细节有点深奥，但它旨在提供一个数字或分数，用于比较增量技术、配置和设计变化，以及比较一台量子计算机与另一台量子计算机的相对能力。它是通过计算可以成功实现的方形量子电路的最大尺寸来衡量量子计算机的能力和错误率的指标。虽然细节有点深奥，但它旨在提供一个数字或分数，用于比较增量技术、配置和设计变化，以及比较一台量子计算机与另一台量子计算机的相对能力。

事实上，一台量子计算机的性能涉及到很多因素，如下图所示：

由于量子体积还不是一个行业术语，因此将其用作最终的测量工具。然而，关注“量子比特数”之外的特性的概念是至关重要的，我将讨论竞争量子计算机的相对性能特征，而不仅仅是提及量子比特的数量。

虽然上图中的许多因素我们可能不熟悉，但有三个衡量量子计算性能的关键指标：

规模：计算机可以同时处理的量子比特数。区分物理量子位和逻辑量子位很重要，逻辑量子位是关键元素。

质量：电路的质量，它考虑了量子比特在退相干之前保持叠加和纠缠的时间，以及可以相互纠缠的量子比特的数量。

速度：通常通过每秒电路层操作（或 CLOPS）或在给定时间在量子计算机上可以运行多少电路或门来衡量。这是一个强有力和客观的衡量标准。

“量子比特数”对于比较性能无用的另一个原因是，我们目前在 NISQ 环境中运行（“N”代表噪声）。因此，正在提出许多结构，其中某些量子位专用于纠错而不是用于增加纠缠。IBM 有一个有用的图表来突出基于错误率的物理和逻辑量子比特之间的权衡：

量子计算里程碑

虽然用于描述量子计算机性能的语义和各种标准令人困惑、不断发展并且尚未得到普遍认同，但无论展示哪种指标，都在取得真正的进展。以下是早期工作量子计算机的一些最新进展，尽管并非所有计算机都报告了相同的指标，因此很难将它们相互比较：

除了这些量子计算机之外，英特尔还有 49 量子位 QC，Xanadu 作为 24 量子位 QC，麻省理工学院有 100 量子位 QC，但表中提到的其他性能指标并不适用于这些计算机。

值得一提的是，中国科学技术大学的祖冲之2.1比谷歌的Sycamore强大一百万倍，比世界上最快的超级计算机快1000万-100万亿倍。此外，Quantinuum在H1上的成就值得密切关注，因为它的量子体积大，退相干时间长。

撇开语义和衡量标准不谈，看到越来越多的公司创造出性能指标不断提高的工作量子计算机是令人着迷的，这证实了构建这些设计只是“真的很难”，而不是“难的离谱”。

---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---