谷歌最强量子芯片登场！破解30年重大难题，速度超过最快超算，马斯克惊叹

芯东西12月10日报道，今日凌晨，谷歌公布重大突破——其最新量子芯片Willow在基准测试取得惊人成绩，不到5分钟完成一项标准计算。

而如今最快的超级计算机完成同样的任务，足足要花费超过10^25年的时间，比宇宙的年龄还长！

Willow的突破可在使用更多量子比特的情况下成倍减少错误，破解了近30年来一直在研究的量子纠错挑战。

Alphabet及谷歌CEO皮查伊发文官宣这项重磅进展后，马斯克立即评论“Wow”。俩人还在评论区热聊起来，皮查伊建议有朝一日用SpaceX的星舰在太空里建个量子集群，马斯克则回应“这很可能会发生”。

连刚发布Sora视频大模型新品的OpenAI联合创始人兼CEO萨姆·阿尔特曼都抽空道喜：“大大的祝贺！！”皮查伊回礼道：“多元宇宙未来的量子+AI即将到来，也恭喜o1发布！”

皮查伊说，Willow是构建有用的量子计算机的重要一步，它在药物发现、聚变能、电池设计等领域都有实际应用。

“我认为大多数人并没有完全理解这一突破的重要性。”大卫·马库斯发文强调说，“这一突破意味着后量子密码学和加密技术需要进一步发展。”

在谷歌量子计算部门首席运营官Charina Chou看来，这一成就意味着到21世纪末，量子计算机能够实现甚至最强大的超级计算机都无法实现的科学发现。

谷歌量子AI团队负责人哈特穆特·内文谈道，量子算法有基本的scaling law，许多对AI至关重要的基础计算任务也有类似scaling优势，因此量子计算对于收集传统机器无法访问的训练数据、训练和优化某些学习架构以及对量子效应很重要的系统进行建模将是必不可少的。这包括帮助发现新药、为电动汽车设计更高效的电池，以及加速核聚变和新能源替代品的进展。

许多未来改变游戏规则的应用程序中在传统计算机上是行不通的，它们正等待量子计算来解锁。

相关论文已发表于国际顶级期刊Nature。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y

一、Willow芯片：105个量子比特，破解30年来重大挑战

错误是量子计算面临的最大挑战之一，因为量子比特往往会与周围环境快速交换信息，因此很难保护完成计算所需的信息。通常，使用的量子比特越多，错误就会越多，系统就会变得像经典系统一样。

目前的量子计算机对于大多数商业或科学应用来说太小且容易出错。而谷歌的实验表明，采用正确的纠错技术，量子计算机在规模扩大后能以越来越高的准确度执行计算，而且这种改进的速度超过了一个关键临界值。

“这是我们30年来的目标。”谷歌总部研究科学家迈克尔·纽曼在宣布这一成就的新闻发布会上说。

据谷歌量子硬件部门负责人、物理学家朱利安·凯利解释，量子计算机将信息编码为可以表示0或1的状态，但也可以采用多个0和1的无限可能组合。

但这些量子信息状态非常脆弱，要让量子计算机执行有用的计算，你需要量子信息，并且需要保护它免受环境和操作的影响。

为了实现这种保护（没有这种保护，量子计算就无法实现），理论家们从1995年开始开发巧妙的方案，将一个量子比特的信息分散到多个“物理”量子比特上。由此产生的“逻辑量子比特”至少在理论上能够抵御噪声。要使这种称为量子误差校正的技术在实践中发挥作用，就必须证明这种将信息分散到多个量子比特上的方法能够有效降低错误率。

过去几年，IBM、AWS等多家公司和学术团体已经证明，纠错可以略微提高准确性 。谷歌在2023年初发布了一项成果，该成果使用了其Sycamore量子处理器中的49个量子比特，该处理器在超导电路中对每个物理量子比特进行编码。

谷歌新芯片名为Willow，是其更大、改进的版本，有105个物理量子比特。它是在谷歌于2021年在加州圣巴巴拉的量子计算园区建造的制造实验室中开发的。

系统工程是设计和制造量子芯片的关键：芯片的所有组件都必须同时经过精心设计和集成。如果任何组件滞后或两个组件不能很好地协同工作，就会拖累系统性能。因此，最大化系统性能贯穿于全流程，从芯片架构和制造到门开发和校准。其报告的成就是整体评估量子计算系统，而不是一次只评估一个因素。

谷歌注重质量，而不仅仅是数量。Willow在量子纠错和随机电路采样两个系统基准测试中均拥有一流的性能。此类算法基准测试是衡量芯片整体性能的最佳方式。

其他更具体的性能指标也很重要；例如，T1时间（测量量子比特可以保留激发的时间长短——关键的量子计算资源）现在接近100µs，相比谷歌上一代芯片相比，实现约5倍的改进。

谷歌量子计算部门负责人哈特穆特·内文说，这是量子计算机相对于传统计算机的优势的最新体现。

二、将错误率指数级降低，性能远超传统超算

谷歌在Nature上发表的研究结果表明，Willow中使用的量子比特越多， 错误减少得就越多，系统就越量子化。

研究团队测试了越来越大的物理量子比特阵列，从3×3编码量子比特网格扩展到5×5，再到7×7——每一次，利用在量子纠错方面的最新进展，他们都能够将错误率降低一半。

换句话说，他们实现了错误率的指数级降低。

这一历史性成就在业界被称为“低于临界值（below threshold）”——能在增加量子比特数量的同时降低错误。

必须证明低于临界值才能证明在纠错方面取得了真正的进展，自1995年Peter Shor引入量子纠错以来，这一直是一项艰巨的挑战。

这一结果还涉及其他科学“第一”。

例如，它也是超导量子系统实时纠错的首批引人注目的例子之一。这对于任何有用的计算都至关重要，因为如果不能足够快地纠正错误，它们会在完成计算之前毁掉它。

其量子比特阵列比单个物理量子比特的寿命更长，这表明纠错正在改善整个系统。

作为首个低于临界值的系统，这是迄今为止构建的可扩展逻辑量子比特最令人信服的原型。这有力地表明，实用的超大型量子计算机确实可以构建。Willow使之更接近运行传统计算机上无法复制的实用、商业相关算法。

为了衡量Willow的性能，研究团队使用了其首创的随机电路采样 （RCS）基准。

这是当今量子计算机上可以完成的最难的传统基准。你可以将其视为量子计算的切入点，它检查量子计算机是否在做一些传统计算机上无法完成的事情。

任何构建量子计算机的团队都应该首先检查它是否可以在RCS上击败传统计算机；否则有充分的理由怀疑它能否处理更复杂的量子任务。

谷歌一直使用这个基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展。他们在2019年10月报告了Sycamore的结果，最近在2024年10月再次报告了其结果。

Willow在这项基准测试中的表现令人惊叹：不到5分钟的时间内完成了一项计算，而当今最快的超级计算机之一需要10^25年才能完成。

如果要写出来，则是：

10,000,000,000,000,000,000,000,000年。

这个令人难以置信的数字超出了物理学中已知的时间尺度，远远超过了宇宙的年龄。

它证实了量子计算发生在许多平行宇宙中的观点，这与量子物理学家戴维·多伊奇首次提出的我们生活在多元宇宙中的观点一致。

如图所示，Willow的最新结果是谷歌迄今为止最好的。

▲计算成本受可用内存的影响很大，因此谷歌的估算考虑了一系列场景，从内存无限的理想情况（▲）到更实用的GPU并行实现（⬤）

谷歌对Willow如何超越世界上最强大的经典超级计算机之一Frontier的评估是基于保守的假设。例如，假设可以完全访问二级存储（即硬盘），而无需任何带宽开销——这对Frontier来说是一个慷慨而不切实际的假设。

正如谷歌在2019年宣布首次超越经典计算后发生的那样，他们预计经典计算机将在这个基准上继续改进，但迅速扩大的差距表明，量子处理器正以双倍指数的速度赶超经典计算机，并且随着扩大规模，其性能将继续远远超过经典计算机。

结语：向商业应用迈进

2012年谷歌量子计算AI团队创立时，愿景是构建一台实用的大型量子计算机，利用量子力学推动科学发现、开发有用的应用程序和解决一些社会最大挑战，从而造福社会。作为Google Research的一部分，其团队已经制定了长期路线图，而Willow正推动他们朝着商业相关应用的方向迈进。

该领域的下一个挑战是展示当今量子芯片上第一个“有用的、超越经典”的计算，该计算与实际应用相关。谷歌团队乐观地认为Willow一代芯片可以帮助他们实现这一目标。迄今他们已经进行了两种不同类型的实验。一是运行RCS基准测试，衡量了与传统计算机的性能，但尚无实际的商业应用；二是对量子系统进行了科学上有趣的模拟，这推动了新的科学发现，但仍在传统计算机的范围内。

其目标是同时完成这两件事，进入传统计算机无法企及的算法领域，这些算法对现实世界的商业相关问题有用。

来源：Google，Nature