深度丨谷歌发布自研量子芯片Willow，试图解决量子计算的纠错问题

近期，全球范围内兴起的[量子芯片热]现象，其源头可追溯至谷歌于12月9日发表于《自然》杂志最新一期的论文。

该论文阐述了谷歌研究团队发现了一种将Willow芯片中的量子比特串联起来的技术。

随着量子比特数量的增加，该技术不仅能够降低错误率，还能实现错误的实时纠正。

这一进展被认为是实现量子计算商业应用的关键步骤。

Willow芯片能在不足五分钟内完成一项标准基准计算，而目前最快的超级计算机完成相同计算任务则需耗费[10的25次方]年，这一时间甚至超过了宇宙的年龄。

对此，香港中文大学量子控制实验室指出，谷歌量子芯片Willow的突破性进展在于其量子比特数量达到105个，且在使用更多量子比特时，错误率能够以指数级速度下降。

30年重大难题：错误率

量子比特作为量子计算机的基本计算单元，易于与周围环境迅速进行信息交换，这导致了保护其完成计算所需信息的困难。

任何技术突破若要证明其在纠错方面取得实质性进展，必须展示其低于阈值的性能。

自1995年彼得·秀尔引入量子纠错概念以来，该领域一直致力于克服这一挑战，至今已持续了三十年的努力。

传统上，随着量子比特数量的增加，错误率亦随之上升，这导致计算能力的扩展受到限制，因为错误率的增加使得整个系统难以实现规模化的增长。

以化学火箭为例，其效率低下是因为火箭必须携带燃料升空，而燃料的大部分推力都消耗在了自身的升空上，尽管仍有一部分推力用于载荷。

不幸的是，一旦超过某个临界点，燃料产生的推力无法克服自身的重量，火箭的起飞重量便被限制在了那个临界质量。

超导量子计算机也面临着类似的挑战，当量子比特数量超过特定的临界值时，错误率变得难以接受；

且随着量子比特数量的增加，错误率亦相应增大，这与火箭燃料无法推动自身重量的情况相似。

谷歌突破性进展：拔高量子计算应用高度

谷歌在国际权威期刊《自然》杂志上发表的研究成果表明，他们测试了从3x3、5x5至7x7不同规模的量子比特阵列，每次均能将错误率减半。

此次研究的成果也是超导量子系统实时纠错的首次成功案例之一，对于实现任何有效的计算至关重要，因为若无法迅速纠正错误，计算过程将在完成前遭到破坏。

在探讨量子计算领域时，美国理论物理学家理查德·费曼曾提出一个引人深思的观点：[自然界并非遵循经典物理学规律，若要模拟自然界的运作，最佳方式是采用量子力学的原理。]

谷歌的研究成果显示，在Willow项目中，随着量子比特数量的增加，错误率相应减少，系统的量子性能得到提升。

相关研究结果已在国际权威期刊《自然》上发表，谷歌的研究团队测试了不同规模的量子比特网格，从3x3、5x5到7x7，Willow系统每次都能将错误率减半。

这一突破性的进展在量子计算领域被称为[低于阈值]，意味着在扩展量子比特数量的同时，能够有效降低误差率。

谷歌量子AI部门的负责人兼首席运营官Charina Chou进一步阐述道，当前的人工智能技术主要依赖于机器学习，而机器学习又需要大量的训练样本。

例如，ChatGPT之所以取得显著成就，是因为有大量可供训练的数据。在这一方面，量子计算亦可发挥其作用。

谷歌实际上已经在这一领域开展了一些研究工作，旨在开发能够从磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）中提取更多价值的算法。

这些新开发的量子算法能够作为原子尺度的测量工具，提供分子中原子核之间极其精确的距离信息。

因此，量子计算有助于获取原本难以获得的训练数据集，这是其与人工智能技术的另一重要联系。

谷歌的研究团队表示，他们正在致力于开发新技术以扩展量子系统的规模。

迄今为止，谷歌在量子计算领域进行了两种不同类型的实验。

一方面，他们运行了RCS基准测试，该测试评估了量子计算机与传统计算机的性能对比，尽管目前尚未发现其具体的实际应用。

另一方面，他们对量子系统进行了科学模拟，这导致了一些新的科学发现，但这些发现目前仍在传统计算机的能力范围内。

尽管这些发现对传统计算机而言极具挑战性，但尚未展示出实际的商业应用价值。

系统工程在量子芯片的设计和制造过程中扮演着至关重要的角色：芯片的所有组件，包括单量子比特和双量子比特门、量子比特复位和读出等，都必须经过精心设计和集成。

因此，量子计算对于获取经典计算机无法处理的训练数据、训练和优化特定的学习架构以及对量子效应至关重要的系统建模，将变得至关重要。

这涵盖了帮助我们发现新药物、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研究进程。

许多此类未来可能颠覆行业规则的应用，在经典计算机上是不可实现的；它们正期待着量子计算的解锁。

国内也从未缺席：量子计算领域发展刚刚开始

尽管阿里巴巴遗憾地关闭了其量子实验室，但国内企业并未落后于国际同行，反而积极投身于这一技术浪潮，将量子计算视为重要的发展机遇，并取得了显著的技术进展。

在2024年数字科技生态大会上，中电信量子信息科技集团有限公司正式发布了其量子计算机天衍504。

该产品基于中国科学院量子信息与量子科技创新研究院开发的[骁鸿]量子计算芯片，拥有高达504个量子比特，成为国内量子比特数量最多的芯片。

此外，该公司还推出了天衍24和天衍176等多款量子计算机，其中天衍176的双比特门错误率已降至2%以下。

安徽省量子计算工程研究中心与量子计算芯片安徽省重点实验室也推出了[悟空芯]，该芯片具备72个工作量子比特和126个耦合量子比特。

在互联网企业中，华为早在2020年便申请了[量子计算方法及设备]的专利，标志着其进军量子计算领域。

字节跳动在2021年也公开招募了量子计算机研究人员，开始布局量子计算。

这两家公司的量子计算机尚处于研发的早期阶段，目前尚未有大量有效信息对外公布。

结尾：

搭载Willow芯片的量子计算机在未来有望在多个领域引发根本性的变革。

这些领域包括药物发现，通过精确模拟分子间相互作用，加速新药和新型疗法的研发；

材料科学，设计出性能卓越的新型材料，推动技术进步；

人工智能，显著加快机器学习算法，使AI系统能够更迅速、高效地处理复杂任务；

新能源技术，设计更高效的电池并推动能源创新；

以及清洁能源技术的突破，探索更可持续的能源解决方案。

部分资料参考：读数一帜：《谷歌发布最强量子芯片，相关概念股大涨》，第一财经：《谷歌，量子芯片重大突破！》，科学有故事：《不吹不黑，谷歌 Willow 芯片到底有多大能耐？》，数据观：《谷歌全新量子芯片Willow问世：5分钟完成超算需要10??年的计算任务》，未来半导体：《破解30年重大难题！谷歌Willow量子芯片横空出世》，雷科技：《Google Willow杀疯了！量子芯片是AI的终局？》，科技行者：《专访谷歌量子AI团队：为什么说Willow是里程碑式的突破？》