位于美国加州海边的圣塔芭芭拉市有浓厚艺术氛围，同时也是美国顶尖研究理科院校之一──加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的所在地。这里也是 Google 量子 AI 实验室（Quantum AI Campus）的新家。
来自全世界最优秀的工程师、量子力学研究者、艺术家和自然科学家合作，目标是从量子力学角度达成继算盘、传统电脑、机器学习后又一次计算技术重大突破。
电脑技术的进步，让人类生活水准大大提升，但基础科学研究领域，研究者不再满足于硅基半导体的传统电脑了。一些超级重度依赖计算的任务，如为全球气候变化精准建模，或探究全新复合材料结构，即使用最先进的超级电脑，也需要几年至几万年不等时间，如果以量子计算，可能只需小时甚至几分钟。研究量子计算不仅能解决古典计算无法解决的问题，还能让人类距离探索宇宙最基础原理更进一步，对大自然运转有更深了解。
这便是Google下一个十年，全力投入量子计算基础研究的动机。
美国时间11月10日，笔者有幸参与Google圣塔芭芭拉量子计算总部的“虚拟”参访，和Google量子计算团队的主任工程师、研究科学家等深入交流。
计算、自然科学、人文和艺术融合的“车库”
和古典计算不同，量子计算核心单元是量子纠缠状态的粒子，极易受电磁、热、宇宙射线干扰，有天然错误。读者或许会以为，专门研究量子计算的实验室，一定像电影存放机密的实验室一样，层层把守，密不透风，位于地下，到处是混凝土墙和法拉第笼（Faraday cage），排除一切干扰。
然而Google的量子计算总部却和想像天差地别，反而更像硅谷创业故事的车库创业。不仅如此，Google Quantum AI Lab到处充斥前卫艺术厂房风格。
当然，毕竟这还是研究量子计算的机构，各种艺术品不乏以量子处理器／电脑发想的图片和绘画。
（Source：Google）
就连最核心、最神秘的量子电脑，到了Google这里，也成了“艺术装置”。
（Source：影片截图）
这种室内装潢选择，让Google量子AI实验室视觉轻松活泼。员工或许会更有创造力吧？
实际上，“创造力”正是团队最重视的东西。
Google量子AI实验室主任工程师兼Google圣塔芭芭拉办公室负责人Erik Lucero表示：“队伍的创造力不限科学层面，而是科学家和艺术家两种创意的结合。只有融合创造力，才能帮助团队实现发明未来的目标。”
研究科学家兼量子电路工程师Marissa Giustina表示：“大家虽然都是研究量子计算，但量子计算仍非常早期，也没有固定方向，所有人都在尝试。此阶段能引入各行各业顶尖人才，脑力激荡非常重要。”
团队组建思路代表Google对量子计算的认识，以及对团队的要求──不限短期、数位层面目标，如增加量子位数，比竞争对手更早达到高级量子霸权等。
Google专注长期目标，因量子计算终究还是要造福人类，解决更大规模、更长远的难题，如找到气候变迁的答案、探究新材料科学以解决饥荒问题等。想解决这些难题，需要的不仅电脑科学和量子力学专家，还要更多人文、艺术专家。
Google量子AI实验室选址定在风景优美的圣塔芭芭拉，背后也有更深刻的原因。
据Lucero介绍，首先圣塔芭芭拉拥有全美最优秀的研究型院校加州大学圣塔芭芭拉分校，超级电脑研究和应用部门绝对领先全美。如名数学家、菲尔兹奖得主Michael Freedman，就是加州大学圣塔芭芭拉分校的教授，同时也是与微软合办的量子计算研究小组Station Q负责人。
从超级计算／量子计算人才密集性来看，Google将量子AI实验室设在这里非常明智。Lucero 表示，圣塔芭芭拉“有很多优秀人才，当地民众也非常欢迎我们，Google能和当地学术和研究社群完美融合。”
Lucero还有另一个选择圣塔芭芭拉的原因：
自然风光优美。在这里生活和工作，我们能感受到与自然的连结。量子计算也是这样，和大自然基本原理有千丝万缕的关系。”换言之，从事量子计算研究，团队成员能更容易从周围环境获得启发，提升创造力，有助实现更多今天看来“不可能”的突破。
（Source：Unsplash）
揭秘Google量子电脑
来到Google量子AI实验室，笔者有两个最想看的东西，一是办公室长什么样，另一个当然就是Google的量子电脑了。
量子电脑和一般电脑有非常大差别。个人电脑包括主板、中央处理器、显卡、硬盘、内存、输入输出设备等主要部件，大到桌面主机，小到巴掌大的手机都可以装。而量子电脑尺寸非常巨大。
讨论量子电脑时候，很多图片都会显示如下这种非常精密的仪器。
（Source：Google Quantum AI Campus，下同）
这是低温恒温器加讯号放大器。装置从上到下温度不断降低，到最下面的量子处理器，温度接近绝对零度。恒温器还安装很多模拟讯号电路，控制量子处理器，并将处理器量子位传出的讯号放大编码，转换成一般数字信号。
恒温器旁边还能看到一架看起来像上古时代服务器的设备──就是量子处理器的“操作系统”。这些硬件都是Google量子AI实验室团队自行研发组装。借着这些设备，团队才能操作量子处理器，输入任务、读取处理结果等。
能耗方面，Giustina表示，照团队2019年测试看，如果同任务采用传统超级电脑，功率是兆瓦等级，且要多年才能完成，采用当时Google量子计算设备，功率只有25千瓦，且只花几十分钟就完成。
量子电脑制冷部分是耗能大户。因Google量子计算系统采用超导量子位，为了尽量减少热干扰，整个系统运行温度在10毫开尔文以内（-273.15~0.14℃）。
Giustina表示，量子电脑工作最烦的就是噪音真的很大。“噌、噌、噌的声音，一直不停响，非常吵。可想像成很吵的大冰箱，你不会想放在家里。”正因如此，团队估计未来就算量子电脑正式商用，应该不会本地部署，而透过类似云端服务，放在资料中心。
Lucero倒是不太介意噪音，甚至把量子电脑比喻成音乐播放器，因工作原理就是控制器将讯号透过模拟脉冲讯号，穿过一层又一层绵延数英里长度的线路，发送给量子处理器。“就像放音乐给量子位听。”Lucero说。
负责神机妙算的量子处理器，又是怎样的神秘设备呢？Google开发的量子处理器Sycamore，封装后外观和普通CPU确实有点像。下图看到的其实是封装好的Sycamore量子处理器，可想成“主板”。
真正的量子芯片封装在中间印有“Google”字样的封盖下。
四周金属管实际上是同轴电缆接头，和机架／恒温器模拟讯号电路连结，控制和状态读取Sycamore。
Sycamore量子处理器封盖设计也非常独特。封盖由多层组成，其中一层材质是超导铝合金，涂成黑色，遮盖漏进来影响量子位工作的光，还有另一层材质是镍铁合金，可屏蔽电磁干扰。
这是封盖拆开的样子：
真正的量子计算芯片大概长这样：
（Source：Google AI Blog）
芯片大小示意，面积150平方毫米，接近邮票大小：
这块Google量子计算芯片采用多层结构：布线层和量子位层。
下图显示的是布线层。主要功能是电子控制系统和量子位间讯号传输和读取。这层和实际量子位层分开，中间有隔离装置，是为了避免讯号在布线层传输干扰量子位层。
虽然量子电脑和传统电脑架构完全不同，但芯片材料其实一样。如布线层也是从硅晶圆切下来，线路使用裸露金属线。
（Source：Google Quantum AI Campus，下同）
然后就是计算真正发生的地方──量子位层。这一层Google用最先进半导体封装技术安装数十个量子位在芯片上。量子位层的基底是覆有超导铝合金涂层的硅晶圆，配合布线层的专门设计，使Google团队可单独控制每个量子位。
量子位是量子计算的基本单元，采用超导材料制造。架构其实非常简单，由电感器和电容器组成。下图为一个量子位的显微镜扫描示意图，尺寸约为10平方微米，宽度和一根头发相近。
至于一块Sycamore芯片有多少量子位，Google公开宣称的是53个（总数是54个，但剩下一个无法工作）。但Lucero对笔者透露，目前团队成功封装出超过54个可操作量子位的新芯片。
Google也公开量子计算蓝图：
1. 证明“量子优越性”
2019年，Google藉Sycamore处理器宣布达成量子优越性，即量子电脑处理实际任务性能优于传统电脑，尽管当时备受质疑，Google仍坚信成绩代表人类量子计算进入NISQ（Noisy, Intermediate Scale Quantum，嘈杂中型量子）时代。
NISQ时代，即便当时所有量子电脑的量子位有极高错误率和稳定时间太短，无法长时间计算，人们仍然可利用此系统，并研发更好的纠错系统最佳化现有量子电脑性能，提高可用性。
Google拥抱NISQ时代最大、必须克服的挑战，就是提高量子纠错能力。
2. 扩大系统的量子位规模，实际证明量子纠错的可行性。
今年7月，Google宣布量子纠正有重大突破。Google在《自然》发表论文，展示如何使用逻辑量子位和稳定回路，让计算错误随着量子位数量提升而降低，最终纠错能力达到业界顶尖水准100倍。
虽然这次Google纠错进展仍被业界评为“不切实际”，但Google团队认为，这次只是展示纠错方法之一，虽然今天可能不切实际，但未来或许有可能用于开发稳定纠错的量子电脑。
3. 实现纠错逻辑量子位。
证明量子纠错后，扩展到够大规模系统，证明大规模构建纠错逻辑量子位可行。
4. 将两个逻辑量子位（由1千个物理量子位构成）平铺在一起组成量子晶体管。
5. 用量子晶体管，将整个系统的物理量子位数量扩展到十万个。
6. 形成完整的量子纠错电脑。
▲ Erik Lucero。
Google保守估计，十年内或许可能达成纠错逻辑量子位，至于开发出真正完整可用、有纠错能力的量子电脑，大概要到本世纪末才有可能。
考虑到Google这几年重金投入及突破，或许我们有生之年真能看到圣塔芭芭拉、Google量子AI实验室成为量子计算技术关键突破的“Ground Zero”。也许未来某一天，借由量子计算，我们更认识自然和宇宙法则，实现人类智慧的典范转移。
（本文由 品玩 授权转载；首图来源：Google）
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