2024年12月9日，谷歌發(fā)表文章宣布，其已經(jīng)利用新一代芯片克服了量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在5分鐘內(nèi)解決了一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題將花費(fèi)一臺(tái)傳統(tǒng)超算10的25次方年的時(shí)間解決。

這一成果得益于一顆名為Willow的新芯片，這顆芯片是在Google位于圣巴巴拉的全新先進(jìn)制造工廠制造的，這是全球?yàn)閿?shù)不多的幾個(gè)從頭開(kāi)始就是為了處理量子芯片生產(chǎn)的獨(dú)特挑戰(zhàn)而建造的設(shè)施。谷歌使用了隨機(jī)電路采樣 （Random Circuit Sampling, RCS） 基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)衡量 Willow 的性能，Willow芯片在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了計(jì)算，而同樣的計(jì)算對(duì)于最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)需要超過(guò)宇宙年齡的時(shí)間，這突顯了量子系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的巨大計(jì)算優(yōu)勢(shì)。

此次Google公布的Willow芯片擁有105個(gè)“量子位”，量子位是量子計(jì)算機(jī)的組成部分，量子位運(yùn)行速度很快，但容易出錯(cuò)。在通常情況下，使用的“量子位”越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。為了保護(hù)量子信息免受這些影響，研究人員開(kāi)發(fā)了量子糾錯(cuò)碼，但其有效性依賴于一個(gè)假設(shè)：即單個(gè)物理量子位上的錯(cuò)誤率必須足夠低，以便糾錯(cuò)過(guò)程本身不會(huì)引入比它修正的更多的錯(cuò)誤。

Willow的取得的突破就在于此。谷歌表示，Willow實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”的量子糾錯(cuò)，意味著隨著添加更多的量子位，系統(tǒng)的誤差率會(huì)指數(shù)級(jí)下降，這一成果解決了量子計(jì)算領(lǐng)域近30年來(lái)的核心挑戰(zhàn)，不僅提升了量子計(jì)算機(jī)的可靠性，還為未來(lái)建造更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

Willow在各方面的表現(xiàn)

國(guó)盾量子云平臺(tái)負(fù)責(zé)人儲(chǔ)文皓向觀察者網(wǎng)表示，谷歌此次的動(dòng)作可能更多是在準(zhǔn)備后續(xù)的商業(yè)發(fā)布，早在今年八月份，谷歌曾于arXiv發(fā)表論文《低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)》（Quantum error correction below the surface code threshold），展示了通過(guò)量子糾錯(cuò)技術(shù)，可以有效地降低量子計(jì)算過(guò)程中的錯(cuò)誤率，即使在量子位數(shù)量增加的情況下也能保持較低的錯(cuò)誤率，這篇論文當(dāng)時(shí)已經(jīng)在業(yè)內(nèi)引起了關(guān)注和震撼。

在這篇論文中，谷歌團(tuán)隊(duì)展示了使用表面碼（Surface Code）實(shí)現(xiàn)了低于閾值的量子糾錯(cuò)。在容錯(cuò)量子計(jì)算中，表面碼（Surface Code）因其相對(duì)簡(jiǎn)單的物理實(shí)現(xiàn)和高錯(cuò)誤閾值而受到青睞。在論文中，當(dāng)研究人員將陣列從3×3擴(kuò)展到5×5再到7×7時(shí)，每次擴(kuò)展都能將編碼錯(cuò)誤率降低2.14倍。谷歌的這一結(jié)果證實(shí)了量子糾錯(cuò)理論所預(yù)測(cè)的指數(shù)級(jí)錯(cuò)誤抑制效果，被認(rèn)為是十分重要的技術(shù)進(jìn)步，不亞于甚至超過(guò)了2019年谷歌宣布的量子霸權(quán)（quantum supremacy），與近期谷歌與DeepMind團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于人工智能的解碼器Alphaqubit相輔相成。

此前南方科技大學(xué)也在其芯片上驗(yàn)證過(guò)類似的概念，而谷歌這次在實(shí)驗(yàn)體系中實(shí)現(xiàn)了d=5和d=7的糾錯(cuò)，并證明了7的效果顯著優(yōu)于5，而5又明顯優(yōu)于3，表明其在量子控制技術(shù)上達(dá)到了新的高度。谷歌此次的工作體現(xiàn)了業(yè)內(nèi)對(duì)量子糾錯(cuò)方向的共識(shí)，即通過(guò)有效的糾錯(cuò)機(jī)制確保量子計(jì)算機(jī)的可靠性和實(shí)用性。

儲(chǔ)文皓向觀察者網(wǎng)解釋說(shuō)，谷歌一直使用的仍然是表面碼（Surface Code），糾錯(cuò)算法本身并沒(méi)有發(fā)生根本性的變化，真正的進(jìn)步發(fā)生在“隱秘的角落”，例如高精密的量子控制手段。此外，借助人工智能（AI）實(shí)現(xiàn)了更有效的解碼器（decoder）方案篩選和軟硬件上的實(shí)時(shí)線路編譯，這些技術(shù)進(jìn)步共同推動(dòng)了量子糾錯(cuò)能力的提升，谷歌實(shí)現(xiàn)的是d=7>5>3，而國(guó)內(nèi)目前的研究水平應(yīng)該處于d=5>3的位置，在國(guó)外團(tuán)隊(duì)已經(jīng)驗(yàn)證更大的碼距可以換來(lái)更好的糾錯(cuò)效率的情況下，中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的研究和發(fā)展正迅速跟進(jìn)，我們期待在不久的將來(lái)也能看到國(guó)內(nèi)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)和公司在這個(gè)方向的進(jìn)展。

相比糾錯(cuò)算法和測(cè)控手段上的進(jìn)步，谷歌本次展現(xiàn)的在硬件層面的技術(shù)革新相對(duì)較少，芯片上使用的Tunbale Coupler可調(diào)耦合器的架構(gòu)自2019年以來(lái)就已經(jīng)被采用，國(guó)內(nèi)如南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及北京量子信息科學(xué)研究院在內(nèi)的機(jī)構(gòu)都有團(tuán)隊(duì)在這個(gè)方面有所突破。

Willow芯片的開(kāi)發(fā)是Google在量子計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)期研究的一部分。Google自2014年以來(lái)一直在研究量子計(jì)算，并在2019年宣布其量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“超越經(jīng)典”的性能，Willow芯片的推出標(biāo)志著Google在量子計(jì)算硬件方面的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在量子糾錯(cuò)技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展。

谷歌此次公布的成果是一個(gè)里程碑，但距離工業(yè)化應(yīng)用尚有很遠(yuǎn)的距離。Google的量子AI部門創(chuàng)始人哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）表示，盡管目前還沒(méi)有已知的有用應(yīng)用，但谷歌的目標(biāo)是在未來(lái)推出一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的真實(shí)用例，團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)第一個(gè)“有用、超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)”的實(shí)際應(yīng)用計(jì)算，這可能包括新藥開(kāi)發(fā)、電動(dòng)車電池優(yōu)化設(shè)計(jì)、核聚變研究和新能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

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