我正站在谷歌位于加利福尼亚州戈利塔市的设施中，一个类似车库的实验室里，面对着一块巨大的触摸屏，用手指在显示屏上移动一些小方块，这些方块中包含着符号——X、Y、H 和其他更神秘的符号。这些方块代表着可以在附近一个巨大的银色圆筒内的量子比特（qubit）上执行的功能。在提供的众多功能中，有些功能会导致量子比特从 1 翻转到 0（或从 0 翻转到 1）；一个功能使其围绕轴旋转。
显示屏上的另一个方块显示了量子比特的状态，它看起来像一根棒棒糖在球体内部移动，棒棒糖的棍子固定在中心。当它移动时，旁边的数字在 1.0000 和 0.0000 之间振荡。这是量子比特的优势之一：它们不必像二进制比特那样是全有或全无的 1 或 0，而是可以占据两者之间的状态。这种“叠加”的特性使每个量子比特能够同时执行多个计算，从而以几乎神奇的方式加速计算。虽然来自量子比特的最终读数是 1 或 0，但所有这些中间步骤的存在意味着经典计算机可能很难或不可能进行相同的计算。对于外行人来说，这个过程可能看起来有点像魔术——挥一挥手，点一下触摸屏，瞧，一只兔子就从量子帽子里被拉了出来。谷歌邀请我——以及其他一些精选的记者——来到这里，揭开这种魔法的神秘面纱，以证明它根本不是魔法。
在屏幕的右半部分，波浪线显示了与量子比特上执行的功能相对应的波形。旁边是一个桌面打印机大小的盒子，它将这些波形作为电脉冲通过电线发送到银色圆筒中。如果圆筒是打开的，人们会看到一系列六个腔室，像一个用电线装饰的倒置婚礼蛋糕一样分层排列。每个腔室都被冷却到比上面一个腔室低得多的温度；最底层的温度是零下 15 毫开尔文，几乎比外太空深处冷 200 倍。穿过连续阶段的电线将来自温暖外部世界的控制信号传递进来，并将来自腔室的结果传递回去。
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那个腔室处于真空中，屏蔽了光和热，否则光和热会扰乱脆弱的量子比特，这些量子比特位于所有电线的末端的一个芯片上，隔离在黑暗和寒冷中。每个量子比特大约 0.2 毫米宽，足够大到可以通过普通显微镜看到。但是，在冷却并远离外部影响后，每个量子比特都变成超导体，让电子自由流动，表现得好像它是一个单独的原子一样，从而使量子力学定律扩展到支配其行为。
微波的轻柔脉冲使量子比特振动。当两个相邻的量子比特达到相同的共振频率时，它们就会变得纠缠——这是另一种量子力学特性，意味着测量一个量子比特的状态会告诉你另一个量子比特的状态。不同频率的电磁脉冲会导致比特翻转。谷歌的量子软件工程师克雷格·吉德尼说，量子计算机很像一个装满摆锤的盒子。我和腔室外的其他人向其中发送信号，就像拉动摆锤的绳子，改变它们的摆动来执行不同的逻辑运算。
谷歌量子团队表示，所有这些冷却和振动使他们实现了量子霸权，即量子计算机可以完成普通经典计算机无法完成的事情的临界点。在一篇本周发表在《自然》杂志上的论文中——但上个月在 NASA 网站上不小心泄露了——谷歌工程师描述了一个基准实验，他们用它来证明霸权。他们的程序在 50 多个量子比特上运行，检查量子随机数生成器的输出。谷歌量子人工智能实验室经理哈特穆特·内文说，一些批评家抱怨这是一个人为设计的问题，现实世界的应用有限。“人造卫星也没有做太多事情，”内文在戈利塔工厂的新闻发布会上说。“它绕地球转了一圈。然而，这是太空时代的开始。”
芝加哥大学凝聚态物理学家大卫·奥沙洛姆专门研究量子信息工程，他没有参与这项研究，他也认为该程序解决了一个非常特殊的问题，并补充说谷歌不能声称它拥有一台通用量子计算机。他说，这样的成就可能需要一百万个量子比特，而且还将在未来很多年才能实现。但他认为，该公司的团队已经达到了一个重要的里程碑，为其他科学家提供了可以构建的实际成果。“我对此感到非常兴奋，”奥沙洛姆说。“这种类型的结果提供了一个非常有意义的数据点。”
谷歌的量子计算芯片“西克莫”使用 53 个量子比特实现了其结果。芯片上的第 54 个量子比特出现故障。“西克莫”的目标是随机生成由 1 和 0 组成的字符串，每个量子比特对应一位数字，生成 253 个比特字符串（即约 9.700199254740992 千万亿个比特字符串）。由于量子比特彼此相互作用的方式，某些字符串比其他字符串更可能出现。“西克莫”运行了该数字生成器一百万次，然后对结果进行采样，以得出任何给定字符串出现的概率。谷歌团队还在橡树岭国家实验室的超级计算机“顶点”上运行了该测试的简化版本，然后从这些结果中外推以验证“西克莫”的输出。新芯片在 200 秒内完成了这项任务。研究人员估计，同样的任务将花费“顶点” 10,000 年。
然而，IBM 的一组研究人员也在致力于开发量子计算，他们在本周早些时候在 arXiv.org 上发布了一篇预印本论文，认为在理想条件下并使用额外的内存存储，“顶点”可以在两天半内完成这项任务。“由于‘量子霸权’一词的最初含义，正如[加州理工学院理论物理学家]约翰·普雷斯基尔在 2012 年提出的那样，是为了描述量子计算机可以完成经典计算机无法完成的事情的临界点，因此尚未达到这个门槛，”科学家们在 IBM 研究博客上的一篇文章中写道。那么，也许谷歌的成就最好被贴上“量子优势”的标签。
但德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家斯科特·阿伦森有时会与谷歌研究人员合作，他说，说尚未实现量子霸权并非完全正确——即使它不是像“人类登月”那样明确的结果。毕竟，“西克莫”在完成这项任务时仍然比“顶点”快得多。随着谷歌设置中量子比特数量的增长，其计算能力将呈指数级增长。从 53 个量子比特增加到 60 个量子比特，将使该公司的量子计算机拥有相当于 33 台“顶点”超级计算机的计算能力。在 70 个量子比特的情况下，一台类似“顶点”的经典超级计算机必须有一个城市那么大才能拥有相同的处理能力。
阿伦森还怀疑谷歌取得的成就可能已经具有一些意想不到的实际价值。它的系统可以用于生成可验证地由量子物理定律保证为随机的数字。例如，这种应用可能会产生比人类或经典计算机能够想出的更强大的密码。
“我不确定争论它是否是‘霸权’是正确的做法，”奥沙洛姆说。他说，量子计算界尚未就比较不同量子计算机的最佳方法达成一致，尤其是那些基于不同技术构建的量子计算机。虽然 IBM 和谷歌都在使用超导体来创建量子比特，但另一种方法依赖于捕获离子——悬浮在真空中并由激光束操纵的带电原子。IBM 提出了一个名为“量子体积”的指标，其中包括量子比特执行计算的速度以及它们避免或纠正错误的能力等因素。
事实上，纠错是量子计算机科学家必须掌握才能制造出真正有用的设备——包含数千个量子比特的设备的关键。研究人员说，到那时，这些机器可以运行化学反应的详细模拟，这可能会带来新药或更好的太阳能电池。它们还可以快速破解最常用于保护互联网数据的密码。
然而，要达到这种性能，量子计算机必须进行自我纠错，找到并修复其运行中的错误。当量子比特自发地从 1 翻转到 0，或者当其量子叠加因外部世界的干扰而衰减时，可能会出现错误。谷歌的量子比特目前的寿命约为 10 微秒，然后衰减。该项目的研究人员之一玛丽莎·朱斯蒂娜说：“它们的寿命有限。‘它们非常脆弱。它们与周围环境相互作用，我们只是丢失了量子信息。”
经典计算机通过冗余来解决纠错问题，通过测量电容器中数万个电子而不是单个电子来决定数字比特是打开还是关闭。相反，量子比特本质上是概率性的，因此试图将它们组合在一起以执行一次批量测量是行不通的。谷歌正在开发一种统计方法来纠正错误，加州大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马蒂尼斯与该公司合作开发了“西克莫”，他说，到目前为止的初步结果表明，没有基本方面，没有阻碍因素，会阻止纠错变得越来越好。看来，演出将继续进行。
与此同时，谷歌的工程师将致力于改进他们的量子比特，以减少错误——可能允许更多量子比特互连。他们还希望缩小其大型桌面打印机大小的控制箱——每个控制箱可以处理 20 个量子比特和相关电路，因此需要三个控制箱来运行“西克莫”的 53 个量子比特。如果他们的系统扩展到大约 1,000 个量子比特，其冷却需求将超过那些大型银色圆筒的容量。
在谷歌从事量子硬件和架构工作的朱利安·凯利说，该公司的公告首先是一项工程成就，但它可能开辟未开发的领域。“我们已经证明量子硬件可以做一些极其困难的事情，”他说。“我们正在一个以前没有人能够进行实验的空间中运作。”他说，这种进步的结果将是什么，“我们还不知道，因为我们才刚刚到达这里。”