深度丨谷歌發(fā)布自研量子芯片Willow，試圖解決量子計(jì)算的糾錯(cuò)問題

作者?| 方文三

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

這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)條件極為嚴(yán)苛，必須在超真空環(huán)境下以及接近絕對(duì)零度（約零下273.15攝氏度）的物理?xiàng)l件下進(jìn)行。

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

然而，盡管當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)在商業(yè)和科學(xué)應(yīng)用方面仍顯得規(guī)模較小且易出錯(cuò)，但谷歌芯片Willow的成就為量子計(jì)算的規(guī)模應(yīng)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(tuán)隊(duì)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?cái)?shù)量的增加，該技術(shù)不僅能夠降低錯(cuò)誤率，還能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)糾正。

這一進(jìn)展被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。

Willow芯片能在不足五分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算，而目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)完成相同計(jì)算任務(wù)則需耗費(fèi)[10的25次方]年，這一時(shí)間甚至超過了宇宙的年齡。

對(duì)此，香港中文大學(xué)量子控制實(shí)驗(yàn)室指出，谷歌量子芯片Willow的突破性進(jìn)展在于其量子比特?cái)?shù)量達(dá)到105個(gè)，且在使用更多量子比特時(shí)，錯(cuò)誤率能夠以指數(shù)級(jí)速度下降。

在X平臺(tái)上，谷歌正式宣布了其量子計(jì)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(lǐng)袖們的廣泛關(guān)注和熱烈祝賀。

他們紛紛在各自的平臺(tái)上表達(dá)了對(duì)這一進(jìn)展的認(rèn)可，并分享了個(gè)人的見解。

特斯拉的首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克對(duì)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(jì)算集群的宏偉藍(lán)圖，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了大規(guī)模太陽能設(shè)施建設(shè)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(dá)爾·皮查伊致以祝賀之意。

與此同時(shí)，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(jì)算芯片來訓(xùn)練人工智能。

30年重大難題：錯(cuò)誤率

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

任何技術(shù)突破若要證明其在糾錯(cuò)方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(cuò)概念以來，該領(lǐng)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?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率亦隨之上升，這導(dǎo)致計(jì)算能力的擴(kuò)展受到限制，因?yàn)殄e(cuò)誤率的增加使得整個(gè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；脑鲩L。

以化學(xué)火箭為例，其效率低下是因?yàn)榛鸺仨殧y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(gè)臨界點(diǎn)，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(gè)臨界質(zhì)量。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)也面臨著類似的挑戰(zhàn)，當(dāng)量子比特?cái)?shù)量超過特定的臨界值時(shí)，錯(cuò)誤率變得難以接受；

且隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率亦相應(yīng)增大，這與火箭燃料無法推動(dòng)自身重量的情況相似。

谷歌突破性進(jìn)展：拔高量子計(jì)算應(yīng)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(cè)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(cuò)誤率減半。

此次研究的成果也是超導(dǎo)量子系統(tǒng)實(shí)時(shí)糾錯(cuò)的首次成功案例之一，對(duì)于實(shí)現(xiàn)任何有效的計(jì)算至關(guān)重要，因?yàn)槿魺o法迅速糾正錯(cuò)誤，計(jì)算過程將在完成前遭到破壞。

在探討量子計(jì)算領(lǐng)域時(shí)，美國理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾提出一個(gè)引人深思的觀點(diǎn)：[自然界并非遵循經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，若要模擬自然界的運(yùn)作，最佳方式是采用量子力學(xué)的原理。]

谷歌的研究成果顯示，在Willow項(xiàng)目中，隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率相應(yīng)減少，系統(tǒng)的量子性能得到提升。

相關(guān)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(tuán)隊(duì)測(cè)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(cuò)誤率減半。

這一突破性的進(jìn)展在量子計(jì)算領(lǐng)域被稱為[低于閾值]，意味著在擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)，能夠有效降低誤差率。

谷歌量子AI部門的負(fù)責(zé)人兼首席運(yùn)營官Charina Chou進(jìn)一步闡述道，當(dāng)前的人工智能技術(shù)主要依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)，而機(jī)器學(xué)習(xí)又需要大量的訓(xùn)練樣本。

例如，ChatGPT之所以取得顯著成就，是因?yàn)橛写罅靠晒┯?xùn)練的數(shù)據(jù)。在這一方面，量子計(jì)算亦可發(fā)揮其作用。

谷歌實(shí)際上已經(jīng)在這一領(lǐng)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(jià)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(cè)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(jì)算有助于獲取原本難以獲得的訓(xùn)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(tuán)隊(duì)表示，他們正在致力于開發(fā)新技術(shù)以擴(kuò)展量子系統(tǒng)的規(guī)模。

迄今為止，谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)。

一方面，他們運(yùn)行了RCS基準(zhǔn)測(cè)試，該測(cè)試評(píng)估了量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能對(duì)比，盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)其具體的實(shí)際應(yīng)用。

另一方面，他們對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行了科學(xué)模擬，這導(dǎo)致了一些新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但這些發(fā)現(xiàn)目前仍在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力范圍內(nèi)。

盡管這些發(fā)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)而言極具挑戰(zhàn)性，但尚未展示出實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

系統(tǒng)工程在量子芯片的設(shè)計(jì)和制造過程中扮演著至關(guān)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(fù)位和讀出等，都必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和集成。

因此，量子計(jì)算對(duì)于獲取經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練和優(yōu)化特定的學(xué)習(xí)架構(gòu)以及對(duì)量子效應(yīng)至關(guān)重要的系統(tǒng)建模，將變得至關(guān)重要。

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

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

國內(nèi)也從未缺席：量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展剛剛開始

盡管阿里巴巴遺憾地關(guān)閉了其量子實(shí)驗(yàn)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(jì)算視為重要的發(fā)展機(jī)遇，并取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展。

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

該產(chǎn)品基于中國科學(xué)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(jì)算芯片，擁有高達(dá)504個(gè)量子比特，成為國內(nèi)量子比特?cái)?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(jì)算機(jī)，其中天衍176的雙比特門錯(cuò)誤率已降至2%以下。

安徽省量子計(jì)算工程研究中心與量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也推出了[悟空芯]，該芯片具備72個(gè)工作量子比特和126個(gè)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(qǐng)了[量子計(jì)算方法及設(shè)備]的專利，標(biāo)志著其進(jìn)軍量子計(jì)算領(lǐng)域。

字節(jié)跳動(dòng)在2021年也公開招募了量子計(jì)算機(jī)研究人員，開始布局量子計(jì)算。

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

結(jié)尾：

搭載Willow芯片的量子計(jì)算機(jī)在未來有望在多個(gè)領(lǐng)域引發(fā)根本性的變革。

這些領(lǐng)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(xué)，設(shè)計(jì)出性能卓越的新型材料，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步；

人工智能，顯著加快機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使AI系統(tǒng)能夠更迅速、高效地處理復(fù)雜任務(wù)；

新能源技術(shù)，設(shè)計(jì)更高效的電池并推動(dòng)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(qiáng)量子芯片，相關(guān)概念股大漲》，第一財(cái)經(jīng)：《谷歌，量子芯片重大突破！》，科學(xué)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(jì)算任務(wù)》，未來半導(dǎo)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(tuán)隊(duì)：為什么說Willow是里程碑式的突破？》