Google 近日发布了其最新量子芯片 Willow，该芯片在量子纠错领域取得了重大突破，能够随着量子比特数量的增加指数级地降低错误率，并首次实现了“低于阈值”的量子纠错。Willow 还在随机电路采样（RCS）基准测试中展现出惊人性能，仅用不到 5 分钟就完成了目前最快超级计算机需要 10 的 25 次方年才能完成的计算，其算力远超已知的物理时间尺度，甚至超过了宇宙的年龄。Willow 芯片的诞生，不仅标志着量子计算领域的一个重要里程碑，也为构建大规模容错量子计算机奠定了坚实基础，预示着量子计算的实用化进程可能比预期更快到来。
从“量子霸权”到“量子纠错”，一次新的飞跃
想象一下，你有一枚硬币，它可以同时处于正面和反面两种状态，这就是量子世界的奇妙之处。2019 年，Google 的 Sycamore 处理器首次实现了“量子霸权”，在全球范围内引发了对量子计算的广泛关注和热烈讨论。时隔数年，Google 再次以一款名为 Willow 的全新量子芯片震撼业界，将量子计算推向了 “量子纠错” 的新时代。如果说“量子霸权”展示了量子计算的潜力，那么 Willow 则标志着量子计算开始迈向实用化的关键一步。Willow 不仅继承了 Sycamore 的强大计算能力，更在量子纠错这一长期困扰业界的关键领域取得了突破性进展，为构建大规模、容错的量子计算机铺平了道路，开启了量子计算发展的新篇章。
Willow 芯片：量子纠错的里程碑
要理解 Willow 芯片的突破，首先我们需要了解量子计算的核心挑战之一：量子比特的脆弱性。
什么是量子比特？为什么它们如此脆弱？
传统的计算机使用比特（bit）来存储信息，每个比特只能是 0 或 1。而量子计算机使用的则是量子比特（qubit），它可以同时处于 0 和 1 的叠加态，就像薛定谔的猫，既死又活。这种叠加态赋予了量子比特强大的计算能力，但也使得它们极易受到环境干扰而发生错误，就像一个走钢丝的杂技演员，稍有不慎就会失去平衡。
想象一下，你手中有一枚不断旋转的硬币，它既不是正面朝上，也不是反面朝上，而是一种介于两者之间的状态。这就是量子比特的叠加态。 然而，这枚旋转的硬币非常脆弱，一阵微风、一声咳嗽，甚至你的目光，都可能让它瞬间坍缩到正面或反面，失去叠加态。
表面码架构：保护脆弱的量子比特
为了解决量子比特的脆弱性，科学家们提出了各种各样的量子纠错方案，其中表面码架构被寄予厚望。Willow 芯片就采用了这种架构。
表面码就像是给量子比特穿上了一层“保护衣”。它将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特，利用冗余信息来检测和纠正错误。想象一下，你不再只有一枚旋转的硬币，而是有一组硬币，它们按照特定的规则排列，相互之间存在着某种关联。即使其中一枚硬币受到了干扰，你也可以根据其他硬币的状态推断出它的正确状态，并进行纠正。这种架构的优势在于其二维的拓扑结构，使得物理量子比特之间的连接相对容易实现，并且可以容忍较高的错误率。
历史性突破：“低于阈值”的量子纠错
Willow 芯片的革命性突破在于，它首次实现了“低于阈值”的量子纠错。这意味着，随着编码规模的扩大，即逻辑量子比特中物理量子比特数量的增加，错误率不升反降，呈现指数级下降的趋势。Google 的研究人员分别测试了 3×3、5×5 和 7×7 的物理量子比特阵列，对应着不同大小的表面码。实验结果表明，每次规模扩大，错误率都降低了一半。
这就好比，你给走钢丝的杂技演员配备了一套越来越先进的保护装置，随着保护装置的升级，他失足跌落的概率反而越来越小。
这一结果具有划时代的意义，它打破了长期以来困扰量子计算领域的“规模越大，错误越多”的魔咒，为构建大规模容错量子计算机扫清了关键障碍。
超越盈亏平衡：更可靠的逻辑量子比特
除了降低错误率，Willow 芯片还实现了超越盈亏平衡的性能。也就是说，其逻辑量子比特的寿命超过了构成它的单个物理量子比特的寿命。根据 Google 的测试数据，Willow 芯片逻辑量子比特的寿命是其最佳物理量子比特寿命的 2.4 倍。
这就像是，你用一组普通的硬币构建了一个更高级的“超级硬币”，这个“超级硬币”比任何一个普通硬币都要稳定得多。
这一结果进一步验证了量子纠错的有效性，表明 Willow 芯片能够显著提高量子计算的可靠性。
算力碾压：Willow 对决超级计算机
Willow 芯片不仅在量子纠错方面表现出色，其计算能力也令人叹为观止。为了评估 Willow 的性能，Google 的研究人员使用了随机电路采样（RCS）基准测试。
RCS：检验量子计算能力的试金石
RCS 是一种被广泛认可的用于评估量子计算机性能的基准测试。它要求量子计算机对一个随机生成的量子电路进行采样，并输出测量结果的概率分布。由于 RCS 涉及到大量的纠缠和叠加，经典计算机很难模拟其结果，其计算复杂度随电路规模呈指数级增长。目前，RCS 被认为是当前量子计算机能够执行的最难的经典基准测试。
5 分钟 vs 10 的 25 次方年：Willow 的惊人表现
在 RCS 测试中，Willow 芯片展现出了惊人的计算能力。它仅用了不到 5 分钟就完成了目前最快超级计算机“Frontier”需要 10 的 25 次方年（即 10 septillion 年，或 10,000,000,000,000,000,000,000,000 年）才能完成的计算。这一数字远超已知的物理时间尺度，甚至超过了宇宙的年龄（约 138 亿年）。
探秘 Willow：精密的工程奇迹
Willow 芯片的卓越性能并非凭空而来，它凝聚了 Google 量子 AI 团队多年的心血和智慧，以及在工程和制造方面的巨大突破。
圣巴巴拉工厂：量子芯片的摇篮
Willow 芯片是在 Google 位于美国加州圣巴巴拉的最先进制造工厂生产的。该工厂是全球少数几个专门为制造量子芯片而建造的工厂之一，拥有世界领先的制造设备和工艺，以及极其严格的质量控制体系。
105 量子比特 + 先进的系统工程
Willow 芯片拥有 105 个物理量子比特，并在量子纠错和随机电路采样这两个系统基准测试中均展现出最佳性能。这得益于 Google 在量子芯片架构、制造工艺、控制系统等方面的全面优化。Willow 芯片采用了先进的系统工程方法，将各个组件（如单/双量子比特门、量子比特重置和读取）高度集成，并确保它们能够协同工作。特别值得一提的是，Google 采用了优化的频率控制策略，显著提升了数据量子比特的相干性。
关键指标：全面领先
除了量子比特数量和错误率，Willow 芯片在其他关键指标上也表现出色。例如，其 T1 时间（衡量量子比特保持激发态的时间）接近 100 微秒，比上一代芯片提高了约 5 倍。这意味着 Willow 芯片的量子比特能够更长时间地保持量子态，从而为更复杂的量子计算提供了可能。此外，Willow 芯片的双量子比特门保真度高达 99.85%，处于业界领先水平。
Willow 的未来：从实验室到现实应用
Willow 芯片的成功，不仅是量子计算领域的一个重要里程碑，也为量子计算的未来发展指明了方向。
“有用”的量子计算：Willow 奠定基础
Google 量子 AI 团队的最终目标是构建“有用的、超越经典的”量子计算机，即能够解决现实世界中具有重要意义的问题，且其计算能力远超经典计算机。Willow 芯片在量子纠错和计算能力方面的突破，为实现这一目标奠定了坚实的基础。
应用前景：药物、材料、人工智能……
Willow 芯片的潜在应用领域十分广泛，包括但不限于：
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• 药物研发： 模拟药物分子与靶标蛋白的相互作用，加速新药研发进程，更快找到治疗癌症、阿尔茨海默病等疑难杂症的药物。 -
• 材料科学： 设计具有特定性能的新材料，例如高温超导体、高强度材料等，推动材料科学的革命性进步。 -
• 人工智能： 开发更强大的机器学习算法，提升人工智能的性能，实现更智能、更自主的 AI 系统。 -
• 金融建模： 构建更精确的金融模型，进行风险评估和投资组合优化，提高金融市场的效率和稳定性。 -
• 密码学： 开发能够抵抗量子计算机攻击的新型加密算法，保障信息安全。
局限性与挑战：路漫漫其修远兮
尽管 Willow 芯片取得了巨大成功，但它仍然存在一些局限性。例如，它目前只能编码一个逻辑量子比特，且尚未实现逻辑量子比特之间的相互作用。此外，Willow 芯片的规模仍然相对较小，距离实现大规模容错量子计算还有很长的路要走。正如著名理论计算机科学家 Scott Aaronson 所说，我们需要在保持乐观的同时，也要正视挑战。Willow 的成功并不意味着量子计算已经成熟，而是一个新的起点。
神秘的稳定性问题：每小时一次的“打嗝”
尽管 Willow 芯片取得了巨大的成功，Google 的研究人员也发现了一些问题。最值得注意的是，Willow 芯片在运行过程中会出现相关错误，这些错误并非由已知的错误源引起，包括宇宙射线。根据 Scott Aaronson 博客的评论中和论文中的信息，这些错误会导致多个量子比特同时出错，且错误之间存在一定的相关性。这些错误大约每小时发生一次，会导致芯片的性能出现短暂下降。根据 Google 的报告，这些错误会导致 Willow 芯片上运行的重复代码中出现突发的错误高峰。Google 的研究人员排除了宇宙射线导致这些错误的可能性。他们正在积极调查这些错误的根本原因，并寻求解决方案。目前，这些错误的来源仍然是一个谜，这为量子计算的进一步发展提出了新的挑战。
反思与展望：量子计算的“奇点”时刻？
Willow 芯片的发布，是量子计算发展史上的一个重要里程碑，预示着量子计算正在逼近一个“奇点”时刻。它不仅展现了 Google 在量子计算领域的领先地位，也为构建大规模容错量子计算机指明了方向。
Willow 不仅带来了技术上的突破，也引发了人们对量子计算领域的一些反思。量子计算的实用化进程可能比预期更快。虽然距离大规模容错量子计算机还有距离，但 Willow 芯片的突破性进展，特别是指数级降低错误率的实现，让人们有理由相信，在未来十年内实现有用的量子计算并非不可能，并在药物发现，材料科学，金融建模等特定领域率先产生影响。正如 Scott Aaronson 在博客中所说：“如果硬件进步继续以过去一两年的速度发展，那么我很难理解为什么我们不能在未来十年内拥有有用的容错量子计算机。”
另一方面，RCS 基准测试的意义可能远超人们的预期。Willow 芯片在 RCS 测试中的卓越性能，表明 RCS 可能与量子计算的底层机制有着更深刻的联系，其结果可能对理解量子计算的本质具有重要意义。
相关链接
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• Google Blog: https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/ -
• Nature 论文: https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
（文：子非AI）