彼時(shí)，即便是全球頂尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需耗時(shí)萬(wàn)年方能完成的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，谷歌研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)卻以驚人的速度，僅用時(shí)3分20秒便輕松達(dá)成。谷歌的首席執(zhí)行官桑達(dá)爾·皮查伊（Sundar Pichai）生動(dòng)地將這一壯舉比作“萊特兄弟那劃時(shí)代的歷史性首飛”，彰顯其非凡意義。

轉(zhuǎn)眼至2024年12月10日，谷歌官方網(wǎng)站再次傳來(lái)振奮人心的消息，其量子技術(shù)領(lǐng)域取得了新的飛躍：

最新研發(fā)的量子芯片Willow，在短短不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)，便圓滿完成了一項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試。這項(xiàng)測(cè)試的難度之大，即便是當(dāng)下速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需耗時(shí)“10的25次方”年才能勉強(qiáng)完成，這一時(shí)間跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了宇宙的悠久歲月，令人嘆為觀止。

谷歌表示，隨著團(tuán)隊(duì)使用更多的量子位進(jìn)行擴(kuò)展，Willow可以成倍地減少錯(cuò)誤，解決了該領(lǐng)域近 30 年來(lái)一直在研究的量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路。

谷歌這一研究引起了科技圈的關(guān)注，在X上皮查伊發(fā)文官宣了這項(xiàng)進(jìn)展后，馬斯克在評(píng)論區(qū)回復(fù)“Wow”表示贊嘆，皮查伊隨即表示有朝一日應(yīng)該用SpaceX的星艦在太空里建個(gè)量子集群，馬斯克則回應(yīng)“這很可能會(huì)發(fā)生”。

5分鐘完成10億億億年計(jì)算

這一成果由谷歌CEO皮猜本人親自在??官宣，并已在Nature上加急發(fā)表。

帶您了解谷歌量子計(jì)算芯片Willow

01

什么是量子計(jì)算？

量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，利用量子力學(xué)來(lái)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。與使用比特（bits）表示信息為0或1的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)依賴于量子比特（qubits）。

傳統(tǒng)比特只能持有單一的值（0或1），量子比特則可以通過(guò)一種叫做疊加（superposition）的量子現(xiàn)象，同時(shí)表示0和1。此外量子比特還可以表現(xiàn)出糾纏現(xiàn)象，使得兩個(gè)量子比特能夠同時(shí)表示00、01、10和11等組合。這些獨(dú)特的特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠處理即使是最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法解決的問(wèn)題。

02

什么是谷歌Willow芯片？

谷歌Willow芯片是谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一款先進(jìn)的量子處理器。這款芯片在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，特別是在量子糾錯(cuò)和可擴(kuò)展性方面。

量子比特?cái)?shù)量：Willow芯片包含了大量的物理量子比特，這些量子比特是量子計(jì)算的基礎(chǔ)單元。通過(guò)先進(jìn)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，Willow芯片能夠在這些物理量子比特的基礎(chǔ)上構(gòu)建出邏輯量子比特，這些邏輯量子比特比物理量子比特更穩(wěn)定、更可靠。

量子糾錯(cuò)技術(shù)：Willow芯片采用了先進(jìn)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，如表面碼等。這些技術(shù)通過(guò)分組協(xié)同工作，將多個(gè)物理量子比特組合成一個(gè)邏輯量子比特，從而提高了量子計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，Willow芯片還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)糾錯(cuò)，能夠在計(jì)算過(guò)程中及時(shí)糾正錯(cuò)誤，確保計(jì)算的順利進(jìn)行。

可擴(kuò)展性：Willow芯片在可擴(kuò)展性方面取得了重要突破。通過(guò)優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)和量子糾錯(cuò)算法，谷歌團(tuán)隊(duì)成功地將量子比特的數(shù)量和性能提升到了一個(gè)新的水平。這為未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

03

谷歌Willow芯片的工作原理

一、量子計(jì)算原理

量子比特（Qubits）：與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的比特（bits）不同，量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)，這種特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理大量信息。Willow芯片擁有105個(gè)物理量子比特，這些量子比特是芯片進(jìn)行量子計(jì)算的基礎(chǔ)。

量子糾纏（Quantum Entanglement）：量子糾纏是量子計(jì)算中的一種重要現(xiàn)象，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)量子比特處于糾纏態(tài)時(shí)，它們的狀態(tài)是相互關(guān)聯(lián)的，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。這種特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠在不同量子比特之間傳遞信息，從而加速計(jì)算過(guò)程。

量子并行性（Quantum Parallelism）：量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算任務(wù)，這種特性被稱為量子并行性。Willow芯片利用量子并行性，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。

二、量子糾錯(cuò)技術(shù)

表面碼（Surface Codes）：Willow芯片采用了表面碼進(jìn)行量子糾錯(cuò)。表面碼是一種將量子比特分組協(xié)同工作的技術(shù)，每個(gè)分組形成一個(gè)d×d的量子比特網(wǎng)格，稱為表面碼。隨著晶格的增大，系統(tǒng)能容忍的錯(cuò)誤也更多，理論上邏輯量子比特的保護(hù)性和性能都會(huì)提高。

錯(cuò)誤率降低：Willow芯片通過(guò)擴(kuò)大物理量子比特的陣列，并利用最新的量子糾錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)降低。從3×3的編碼量子比特網(wǎng)格到5×5、再到7×7的網(wǎng)格，每一次擴(kuò)展都帶來(lái)了錯(cuò)誤率的大幅下降。

邏輯量子比特性能提升：隨著表面碼規(guī)模的擴(kuò)展，邏輯量子比特的性能也隨之提升。Willow芯片上的7×7邏輯量子比特的壽命是其最佳物理量子比特的2倍，同時(shí)也是谷歌之前在Sycamore上表面碼的20倍。

三、超導(dǎo)量子系統(tǒng)

超導(dǎo)材料：Willow芯片采用了超導(dǎo)材料作為量子比特的載體。超導(dǎo)材料在低溫下具有零電阻的特性，這使得量子比特能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，減少計(jì)算過(guò)程中的誤差。

實(shí)時(shí)糾錯(cuò)：Willow芯片是首個(gè)在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差修正的成功案例。通過(guò)實(shí)時(shí)糾錯(cuò)技術(shù)，Willow芯片能夠在計(jì)算過(guò)程中及時(shí)糾正錯(cuò)誤，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

04

應(yīng)用前景

Willow芯片的成功開發(fā)為量子計(jì)算的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。量子計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)、藥物研發(fā)、金融建模等領(lǐng)域具有巨大的潛力，能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的問(wèn)題。隨著量子計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，Willow芯片有望成為推動(dòng)這些領(lǐng)域創(chuàng)新的重要工具。

兩項(xiàng)重大技術(shù)突破

第一，Willow解決了30多年來(lái)一個(gè)關(guān)鍵難題，可以在使用更多量子比特進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)指數(shù)級(jí)地減少錯(cuò)誤。

自1995年P(guān)eter Shor提出量子糾錯(cuò)理論以來(lái)，科學(xué)家們一直在努力尋找有效的方法來(lái)糾正量子計(jì)算中的錯(cuò)誤。在量子計(jì)算中，量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致信息丟失或狀態(tài)改變從而產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤，會(huì)嚴(yán)重影響量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的能力。所以，如何有效地進(jìn)行量子糾錯(cuò)成為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的關(guān)鍵難題。

而Willow可以在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)有效地控制并減少錯(cuò)誤，并實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”的表現(xiàn)，這意味著它可以驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤率降到足夠低的程度，以至于即使增加量子比特的數(shù)量，也能保持良好的糾錯(cuò)效果。

第二，Willow在量子計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)宇宙級(jí)突破。在RCS標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試基準(zhǔn)中，Willow能在5分鐘內(nèi)完成計(jì)算測(cè)試，而當(dāng)今最快的計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行測(cè)試都最少需要10個(gè)septillion年。也就是10^25年，大約100億億年，其計(jì)算能力只能用恐怖來(lái)形容。

就連OpenAI的首席執(zhí)行官Sam Altman都特意點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)大大的祝賀，可見Willow的成果有多大。

寫在最后

谷歌量子芯片Willow的發(fā)布標(biāo)志著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。它在量子糾錯(cuò)技術(shù)上的突破和超越超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能展示了量子計(jì)算的巨大潛力和商業(yè)應(yīng)用的可能性。市場(chǎng)對(duì)此反應(yīng)熱烈，谷歌股價(jià)應(yīng)聲上漲，同時(shí)激發(fā)了整個(gè)量子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱情。業(yè)界專家和科技大佬如馬斯克也對(duì)其成就表示驚嘆和認(rèn)可。展望未來(lái)，Willow芯片有望在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并推動(dòng)高級(jí)AI的發(fā)展。（文/宋雨涵）

lixiangjing

算力豹主編