今年3月，谷歌曾在洛杉矶举办的美国物理学会年会上推出了72-qubit超导量子处理器Bristlecone。与此同时，这家科技巨头宣称将要在今年实现「量子霸权」。在硬件之外，谷歌在量子计算理论方面的研究最近也在持续推进，本文将简要介绍其在四月份分别发表于Nature Physics和Science的两篇论文，其中详细描述了实现量子霸权的计划蓝图。
量子计算结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革：信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学的规则替换二进制逻辑来计算，某些难以攻克的计算任务将得到解决。追求通用量子计算机的一个重要目标是确定当前经典计算机无法承载的最小复杂度的计算任务。该交叉点被称为「量子霸权」边界，是在通向更强大和有用的计算技术的关键一步。
在4月底Nature Physics上发表的文章《Characterizing quantum supremacy in near-term devices》中，谷歌介绍了在近期设备中实际展示量子霸权的理论基础。它提出了从随机量子线路的输出中采样比特串的任务，可被看成是量子计算的「hello world」程序。
构建一个随机、混沌的量子比特系统，并测试经典系统模拟前者所需的时间，就可以获得量子计算机何时超越经典计算机的良好度量。可以说，这是证明经典和量子计算机之间的计算能力的指数式分离（exponential separation）的最强理论方案。
在最近的Science文章《A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits》中，来自UCSB、谷歌、NASA等研究机构的学者们展示了实现量子霸权的蓝图，并首次通过实验演示了其原理证明过程。本文讨论了量子霸权的两个关键因素：指数复杂性和精确计算。
研究者首先在装置的5~9个量子比特的子部分上运行算法，发现经典的模拟成本随着量子比特数的增加呈指数增长。这些结果旨在提供这些装置指数幂的清晰示例。接下来，他们使用交叉熵基准来比较该结果与普通计算机的结果，结果表明，他们的计算是高度精确的。事实上，如果使用较大的量子处理器，误差率可以低到实现量子霸权。
两篇文章介绍了近期量子霸权的现实提议，并首次展示了其原则证明过程。谷歌将探索继续降低误差率，增加量子处理器中量子比特的数量，以实现量子霸权，并为短期实用的应用开发量子算法。