位於美國加州海邊的聖塔芭芭拉市有着豐富的文化藝術氛圍。同時，它也是美國最頂尖的研究型理科院校之一，加州大學聖塔芭芭拉分校 (UCSB) 的所在地。而這裡，也是Google量子 AI 實驗室 (Quantum AI Campus) 的新家。
文｜杜晨
編輯｜Lianzi
在這裡，一群來自全世界最優秀的工程師、量子力學研究者、藝術家和自然科學家正在共同協作。他們的目標，是從量子力學的角度，實現繼算盤、經典計算機、機器學習之後的又一次計算技術重大突破。
計算技術的進步，讓人類的生活工作效率大大提升，但在基礎科學研究領域，研究者已經不在滿足於基於硅半導體的經典計算機了。一些超級重度依賴計算的任務，比如為全球級別的氣候變化進行精準建模，或探究全新複合材料的結構，即使用最先進的超級計算機，也需要幾年-幾萬年不等的時間，而如果採用量子計算，可能只需要小時甚至分鐘級別的用時。研究量子計算，不僅能夠解決目前經典計算無法解決的問題，還能夠讓人類距離探清宇宙最基礎原理更進一步，對於大自然的運轉獲得更深的了解。
這便是Google在下一個十年時間裡，全力投入量子計算基礎研究的真實動機。
美國時間11月10日，硅星人有幸參與了一次Google聖塔芭芭拉量子計算總部的“虛擬”探訪，和Google量子計算團隊的主任工程師、研究科學家等進行了深入交流。
圖片來源：Google
｜計算、自然科學、人文和藝術融合的“車庫”
和經典計算不同，量子計算核心單元是處於糾纏態的粒子，極易受到電磁、熱、宇宙射線的干擾，因而會天然存在錯誤的情況。了解這些，你或許會以為，一座專門研究量子計算的實驗室，一定是像電影里那種存放機密的實驗室一樣，層層把守，密不透風，位於地下，到處是混凝土牆和法拉第籠，以求排除一切干擾。
然而Google的量子計算總部，卻和我們想象的千差萬別。這裡反而更像是硅谷創業故事當中，那種車庫創業的氛圍。不僅如此，Google Quantum AI Lab 到處都充斥着一種前衛藝術廠房的風格。
以上圖片來源：Google
當然，畢竟這還是一座研究量子計算的機構，室內的各種藝術品當中，也不乏以量子處理器/計算機為原型的照片和繪畫。
以上圖片來源：Google
就連最核心、最神秘的量子計算機，到了Google這裡，也反倒成了“藝術裝置”。
圖片來源：Google
這種對於室內裝潢的選擇，讓Google量子 AI 實驗室的視覺氛圍更加輕鬆活潑。員工在這裡，或許也會更有創造力吧？
實際上，“創造力”正是這支團隊最重視的東西。
Google量子 AI 實驗室主任工程師兼Google聖塔芭芭拉辦公室負責人 Erik Lucero 表示：這支隊伍的創造力，不僅限於科學層面，而是科學家和藝術家的兩種創意方式的結合。只有這樣融合的創造力，才能夠幫助團隊實現發明未來的目標。
團隊里的研究科學家兼量子電路工程師Marissa Giustina表示：大家雖然都是來搞量子計算的，但量子計算這門學問，目前仍然非常早期，也沒有一個固定的方向，所有人都是在做嘗試。因而在此階段，能夠引入各行各業的頂尖人才，進行思維的碰撞，尤為重要。
這種團隊組建的思路，代表着Google目前對於量子計算的認識，以及對於這支團隊的要求——不僅限於短期的、數字層面的目標，比如增加計算機的量子位數，比競爭對手更早實現更高級別的量子霸權等等。
Google專註於長期的目標，因為量子計算終究還是要造福於人類，解決一些人類面臨的更大規模、更長遠的難題，比如找到氣候變化的答案、探究新的材料科學以解決人類飢荒問題等。
想要解決這些難題，需要的不僅僅是計算科學和量子力學專家，而是需要更多人文、藝術的專家們在一起激情腦暴。
Marissa Giustina 在實驗室里工作 圖片來源：Google
將Google量子 AI 實驗室的選址定在風景優美的聖塔芭芭拉，背後也有一些更加深刻的原因。
據 Lucero 介紹，首先，聖塔芭芭拉擁有全美最優秀的研究型院校加州大學聖塔芭芭拉分校。而這所大學的超算研究和應用部門，在全美是絕對領先的。比如，著名數學家、菲爾茲獎得主 Michael Freedman，就是加州大學聖塔芭芭拉分校的教授，同時也是該校和微軟合辦的量子計算研究小組 Station Q 的負責人。
因此，從超級計算/量子計算的人才密集性來看，Google將量子 AI 實驗室設在這裡是非常明智的選擇。Lucero 表示，聖塔芭芭拉“這裡有很多優秀的人才。當地也非常歡迎我們。Google在這裡能夠很好地和當地的學術和研究社區進行融合。”
圖片來源：UCSB
Lucero 還講述了另一個選擇聖塔芭芭拉的原因：
“這裡的自然風光優美。在這裡生活和工作，我們能夠感受到一種與自然的連接。而量子計算也是這樣，它和我們的大自然的基本原理，有着千絲萬縷的聯繫。”換言之，在這裡從事量子計算研究，團隊成員們能夠更加容易地從周圍的自然環境中獲得啟發，提升創造力，有助於實現更多在今天看來“不可能”的突破。
圖片來源：Jordan Siemens
｜揭秘Google量子計算機
來到Google量子 AI 實驗室，硅星人有兩個最想看的東西，一個是辦公室裡面的樣子，另一個，當然就是Google的量子計算機本身了。
量子計算機，其實和我們一般理解的計算機有非常大的差別。一般的個人計算機，包括主板、中央處理器、顯卡、硬盤、運行內存、輸入輸出設備等主要部件，大到桌面機箱，小到巴掌大小的手機都可以裝下。而量子計算機，尺寸都是非常巨大的。
圖片來源：Google
機架的尺寸示意 圖片來源：Google
在討論量子計算機的時候，很多圖片都會顯示下面這樣一個看起來非常精密的儀器。
圖片來源：Google
低溫恆溫器/放大器部件的尺寸示意 圖片來源：Google
其實，上面這個東西主要是一個低溫恆溫器外加信號放大器。這個裝置從上到下溫度不斷降低，到了最下面的量子處理器，溫度接近於絕對零度。
恆溫器上還安裝了很多的模擬信號電路，用於控制量子處理器，並且將處理器里量子位傳出的信號進行放大、編碼，轉換成常規的數字信號。
此外，在恆溫器的旁邊，你還能看到一架看起來像上古時代服務器一樣的設備——其實這就是量子處理器的”操作系統”。
這些硬件，也是Google量子 AI 實驗室團隊自行研發和組裝起來的。通過這些設備，團隊才能夠對量子處理器進行操控，對其輸入任務，讀取其處理的結果等等。
能耗方面，Giustina 表示，按照團隊在2019年進行的一次計算測試來看，如果同一任務採用經典的超級計算機，功率是在兆瓦級別的，而且需要多年才能完成，而採用當時Google的量子計算設備，功率只有25千瓦，並且只用了幾十分鐘就完成了。
在量子計算機上，製冷部分是耗能大戶。因為Google的量子計算系統採用的是超導量子位，為了盡量減少熱造成的干擾，整個系統的運行溫度在10毫開爾文以內（零下273.15 到 .14℃之間）。
Giustina 表示，在量子計算機上工作最煩的就是這玩意的噪音真的很大。“噌、噌、噌一樣的聲音，一直不停的響，非常吵。可以把它想象成一個噪音巨大的大冰箱，你不會想要放在家裡的。”
也正是因此，Giustina 表示，團隊估計在未來，就算量子計算機可以正式商用，提供給普通人使用，也應該不會是本地部署的，而是通過類似於雲服務的方式提供，安置在數據中心裡。
圖片來源：Google
Lucero 倒是不太介意噪音。他甚至把量子計算機比喻成一個音樂播放器。因為它的工作原理，就是控制器將信號通過模擬脈衝信號的方式，穿過一層又一層，綿延數英里長度的線路，發送給量子處理器，
“就像放音樂給量子位聽一樣。” Lucero 說道。
Google牌量子MP3，酷嗎？ 圖片來源：Google
那麼，負責神機妙算的量子處理器，又是怎樣的一個神秘設備呢？Google開發的量子處理器 Sycamore，從封裝后的外觀上，和普通的CPU確實有那麼點像。在下圖中，我們看到的其實是封裝好 Sycamore 量子處理器，你可以把它理解為“主板”。
真正的量子芯片，封裝在中間印有“Google”字樣的封蓋下面。
旁邊大量的金屬管實際上是同軸電纜接頭，和機架/恆溫器里的模擬信號電路進行連接，從而對 Sycamore 進行控制和狀態讀取。
Sycamore 量子處理器的封蓋設計也是非常獨特的。封蓋由多層組成，其中一層的材質是超導鋁合金，塗成了黑色，用於遮蓋住漏進來影響量子位工作的光，還有另一層的材質是鎳鐵合金，可以屏蔽電磁干擾。
這是封蓋拆開的樣子：
而真正的量子計算芯片，大約長這樣：
芯片大小示意，面積150平方毫米，接近一張郵票的大小：
這塊Google的量子計算芯片，採用的也是多層結構：布線層和量子位層。
下圖顯示的是布線層。其主要功能是在電子控制系統和量子位之間進行信號的傳輸和讀取。這一層和實際的量子位層是分開的，中間有隔離裝置，目的就是為了避免信號在布線層傳輸對量子位層造成干擾。
值得提及的是，雖然量子計算機和傳統計算機架構完全不同，但芯片用的材料其實一樣。比如布線層也是從硅晶圓上切下來的，線路則使用裸露的金屬線。
然後就是計算真正發生的地方——量子位層。這一層上，Google用最先進的半導體封裝技術在芯片上安裝了數十個量子位。量子位層的基底是覆有超導鋁合金塗層的硅晶圓，配合布線層專門的設計，使得Google團隊可以單獨控制每一個量子位。
量子位是量子計算的基本單元，採用超導材料製造。架構其實非常簡單，由電感器和電容器組成。下圖為一個量子位的顯微鏡掃描示意圖，其尺寸大約為10平方微米，寬度和一根頭髮相近。
至於一塊 Sycamore 芯片上具體的量子位數量，之前Google公開宣稱的是53個（總數是54個，但剩下的那一個無法工作）。但據 Lucero 對硅星人透露，目前團隊已經成功封裝出了超過54個可操作量子位的新芯片。
Google也對外公開了其在量子計算上面的路線圖：
1/ 證明“量子優越性”
在2019年，Google通過 Sycamore 處理器宣布實現了量子優越性，也即量子計算機在處理實際任務上性能優於經典計算機。儘管在當時，這一宣稱備受質疑，但Google仍然堅信，他們的成績已經代表人類量子計算進入了 NISQ（Noisy, Intermediate Scale Quantum 嘈雜中型量子）的時代。
在 NISQ 時代，即便在當時所有量子計算機所用的量子位有着極高的錯誤率和太短的穩定時間，無法進行長時間計算，人們仍然可以利用這樣的系統，並且通過研發更好的糾錯系統，來優化現有量子計算機的性能，提高其可用性。
而Google擁抱 NISQ 時代，面臨最大的、必須要克服的挑戰，就是提高量子糾錯能力。
圖片來源：Google
2/ 擴大系統的量子位規模，實際證明量子糾錯的可行性。
今年7月，Google宣布在量子糾錯上實現了重大突破。當時Google在《自然》上發表了論文，展示了其如何使用邏輯量子位和穩定迴路，讓計算錯誤隨着量子位數量的提升而降低，最終的糾錯能力達到了之前業界頂尖水平的100倍。
雖然這一次，Google在糾錯上的進展仍然被業界評價為”不切實際“，但Google團隊認為，這次的進展只是展示了一種糾錯的方法，雖然在今天可能不切實際，但在未來或許有可能被用於開發能夠穩定糾錯的量子計算機。
3/ 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，從而證明大規模構建糾錯邏輯量子位是可行的。
4/ 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。
5/ 用量子晶體管的方式，將整個系統的物理量子位數量擴展到十萬個
6/ 形成一個完整的量子糾錯計算機。
Erik Lucero 圖片來源：Google
Google保守估計，十年內或許可能實現糾錯邏輯量子位。至於開發出真正完整、可用的，帶有糾錯能力的量子計算機，沒準要到本世紀末才有可能。
考慮到Google這幾年的重金投入，以及已經實現的突破，或許在我們有生之年，真的能拿看到聖塔芭芭拉，看到Google量子 AI 實驗室成為量子計算技術關鍵突破的”Ground Zero”。也許未來的某一天，通過量子計算，我們將增進對於自然、宇宙法則的認識，實現人類智慧的範式轉移。
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