深度丨谷歌發(fā)布自研量子芯片Willow，試圖解決量子計算的糾錯問題

作者?| 方文三

盡管量子芯片展示了卓越的計算潛能，但目前國際和國內(nèi)量子計算研究主要集中在離子阱、超導量子比特以及中性原子等技術(shù)路徑上。

這些技術(shù)的實現(xiàn)條件極為嚴苛，必須在超真空環(huán)境下以及接近絕對零度（約零下273.15攝氏度）的物理條件下進行。

此外，超導量子計算機尚處于研究與開發(fā)的初期階段，距離廣泛商業(yè)化應用尚有一段距離。

然而，盡管當前量子計算機在商業(yè)和科學應用方面仍顯得規(guī)模較小且易出錯，但谷歌芯片Willow的成就為量子計算的規(guī)模應用帶來了希望。

量子芯片熱：谷歌發(fā)布Willow芯片量子芯片

近期，全球范圍內(nèi)興起的[量子芯片熱]現(xiàn)象，其源頭可追溯至谷歌于12月9日發(fā)表于《自然》雜志最新一期的論文。

該論文闡述了谷歌研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種將Willow芯片中的量子比特串聯(lián)起來的技術(shù)。

隨著量子比特數(shù)量的增加，該技術(shù)不僅能夠降低錯誤率，還能實現(xiàn)錯誤的實時糾正。

這一進展被認為是實現(xiàn)量子計算商業(yè)應用的關鍵步驟。

Willow芯片能在不足五分鐘內(nèi)完成一項標準基準計算，而目前最快的超級計算機完成相同計算任務則需耗費[10的25次方]年，這一時間甚至超過了宇宙的年齡。

對此，香港中文大學量子控制實驗室指出，谷歌量子芯片Willow的突破性進展在于其量子比特數(shù)量達到105個，且在使用更多量子比特時，錯誤率能夠以指數(shù)級速度下降。

在X平臺上，谷歌正式宣布了其量子計算芯片Willow的問世，此舉立即引起了互聯(lián)網(wǎng)巨頭和行業(yè)領袖們的廣泛關注和熱烈祝賀。

他們紛紛在各自的平臺上表達了對這一進展的認可，并分享了個人的見解。

特斯拉的首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克對這一成就表示贊賞，并展望了未來可能利用星際飛船在太空中構(gòu)建量子計算集群的宏偉藍圖，同時強調(diào)了大規(guī)模太陽能設施建設的必要性。

OpenAI的首席執(zhí)行官薩姆·阿爾特曼亦向谷歌的首席執(zhí)行官桑達爾·皮查伊致以祝賀之意。

與此同時，Web3 AI公司的聯(lián)合創(chuàng)始人余辰金建議OpenAI與谷歌展開合作，利用量子計算芯片來訓練人工智能。

30年重大難題：錯誤率

量子比特作為量子計算機的基本計算單元，易于與周圍環(huán)境迅速進行信息交換，這導致了保護其完成計算所需信息的困難。

任何技術(shù)突破若要證明其在糾錯方面取得實質(zhì)性進展，必須展示其低于閾值的性能。

自1995年彼得·秀爾引入量子糾錯概念以來，該領域一直致力于克服這一挑戰(zhàn)，至今已持續(xù)了三十年的努力。

傳統(tǒng)上，隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率亦隨之上升，這導致計算能力的擴展受到限制，因為錯誤率的增加使得整個系統(tǒng)難以實現(xiàn)規(guī)?；脑鲩L。

以化學火箭為例，其效率低下是因為火箭必須攜帶燃料升空，而燃料的大部分推力都消耗在了自身的升空上，盡管仍有一部分推力用于載荷。

不幸的是，一旦超過某個臨界點，燃料產(chǎn)生的推力無法克服自身的重量，火箭的起飛重量便被限制在了那個臨界質(zhì)量。

超導量子計算機也面臨著類似的挑戰(zhàn)，當量子比特數(shù)量超過特定的臨界值時，錯誤率變得難以接受；

且隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率亦相應增大，這與火箭燃料無法推動自身重量的情況相似。

谷歌突破性進展：拔高量子計算應用高度

谷歌在國際權(quán)威期刊《自然》雜志上發(fā)表的研究成果表明，他們測試了從3x3、5x5至7x7不同規(guī)模的量子比特陣列，每次均能將錯誤率減半。

此次研究的成果也是超導量子系統(tǒng)實時糾錯的首次成功案例之一，對于實現(xiàn)任何有效的計算至關重要，因為若無法迅速糾正錯誤，計算過程將在完成前遭到破壞。

在探討量子計算領域時，美國理論物理學家理查德·費曼曾提出一個引人深思的觀點：[自然界并非遵循經(jīng)典物理學規(guī)律，若要模擬自然界的運作，最佳方式是采用量子力學的原理。]

谷歌的研究成果顯示，在Willow項目中，隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率相應減少，系統(tǒng)的量子性能得到提升。

相關研究結(jié)果已在國際權(quán)威期刊《自然》上發(fā)表，谷歌的研究團隊測試了不同規(guī)模的量子比特網(wǎng)格，從3x3、5x5到7x7，Willow系統(tǒng)每次都能將錯誤率減半。

這一突破性的進展在量子計算領域被稱為[低于閾值]，意味著在擴展量子比特數(shù)量的同時，能夠有效降低誤差率。

谷歌量子AI部門的負責人兼首席運營官Charina Chou進一步闡述道，當前的人工智能技術(shù)主要依賴于機器學習，而機器學習又需要大量的訓練樣本。

例如，ChatGPT之所以取得顯著成就，是因為有大量可供訓練的數(shù)據(jù)。在這一方面，量子計算亦可發(fā)揮其作用。

谷歌實際上已經(jīng)在這一領域開展了一些研究工作，旨在開發(fā)能夠從磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）中提取更多價值的算法。

這些新開發(fā)的量子算法能夠作為原子尺度的測量工具，提供分子中原子核之間極其精確的距離信息。

因此，量子計算有助于獲取原本難以獲得的訓練數(shù)據(jù)集，這是其與人工智能技術(shù)的另一重要聯(lián)系。

谷歌的研究團隊表示，他們正在致力于開發(fā)新技術(shù)以擴展量子系統(tǒng)的規(guī)模。

迄今為止，谷歌在量子計算領域進行了兩種不同類型的實驗。

一方面，他們運行了RCS基準測試，該測試評估了量子計算機與傳統(tǒng)計算機的性能對比，盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)其具體的實際應用。

另一方面，他們對量子系統(tǒng)進行了科學模擬，這導致了一些新的科學發(fā)現(xiàn)，但這些發(fā)現(xiàn)目前仍在傳統(tǒng)計算機的能力范圍內(nèi)。

盡管這些發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)計算機而言極具挑戰(zhàn)性，但尚未展示出實際的商業(yè)應用價值。

系統(tǒng)工程在量子芯片的設計和制造過程中扮演著至關重要的角色：芯片的所有組件，包括單量子比特和雙量子比特門、量子比特復位和讀出等，都必須經(jīng)過精心設計和集成。

因此，量子計算對于獲取經(jīng)典計算機無法處理的訓練數(shù)據(jù)、訓練和優(yōu)化特定的學習架構(gòu)以及對量子效應至關重要的系統(tǒng)建模，將變得至關重要。

這涵蓋了幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥物、為電動汽車設計更高效的電池，以及加速核聚變和新能源替代品的研究進程。

許多此類未來可能顛覆行業(yè)規(guī)則的應用，在經(jīng)典計算機上是不可實現(xiàn)的；它們正期待著量子計算的解鎖。

國內(nèi)也從未缺席：量子計算領域發(fā)展剛剛開始

盡管阿里巴巴遺憾地關閉了其量子實驗室，但國內(nèi)企業(yè)并未落后于國際同行，反而積極投身于這一技術(shù)浪潮，將量子計算視為重要的發(fā)展機遇，并取得了顯著的技術(shù)進展。

在2024年數(shù)字科技生態(tài)大會上，中電信量子信息科技集團有限公司正式發(fā)布了其量子計算機天衍504。

該產(chǎn)品基于中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院開發(fā)的[驍鴻]量子計算芯片，擁有高達504個量子比特，成為國內(nèi)量子比特數(shù)量最多的芯片。

此外，該公司還推出了天衍24和天衍176等多款量子計算機，其中天衍176的雙比特門錯誤率已降至2%以下。

安徽省量子計算工程研究中心與量子計算芯片安徽省重點實驗室也推出了[悟空芯]，該芯片具備72個工作量子比特和126個耦合量子比特。

在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中，華為早在2020年便申請了[量子計算方法及設備]的專利，標志著其進軍量子計算領域。

字節(jié)跳動在2021年也公開招募了量子計算機研究人員，開始布局量子計算。

這兩家公司的量子計算機尚處于研發(fā)的早期階段，目前尚未有大量有效信息對外公布。

結(jié)尾：

搭載Willow芯片的量子計算機在未來有望在多個領域引發(fā)根本性的變革。

這些領域包括藥物發(fā)現(xiàn)，通過精確模擬分子間相互作用，加速新藥和新型療法的研發(fā)；

材料科學，設計出性能卓越的新型材料，推動技術(shù)進步；

人工智能，顯著加快機器學習算法，使AI系統(tǒng)能夠更迅速、高效地處理復雜任務；

新能源技術(shù)，設計更高效的電池并推動能源創(chuàng)新；

以及清潔能源技術(shù)的突破，探索更可持續(xù)的能源解決方案。

部分資料參考：讀數(shù)一幟：《谷歌發(fā)布最強量子芯片，相關概念股大漲》，第一財經(jīng)：《谷歌，量子芯片重大突破！》，科學有故事：《不吹不黑，谷歌 Willow 芯片到底有多大能耐？》，數(shù)據(jù)觀：《谷歌全新量子芯片Willow問世：5分鐘完成超算需要102?年的計算任務》，未來半導體：《破解30年重大難題！谷歌Willow量子芯片橫空出世》，雷科技：《Google Willow殺瘋了！量子芯片是AI的終局？》，科技行者：《專訪谷歌量子AI團隊：為什么說Willow是里程碑式的突破？》