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2024年12月9日，谷歌發(fā)表文章宣布，其已經(jīng)利用新一代芯片克服了量子計算領(lǐng)域的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，在5分鐘內(nèi)解決了一個計算問題，而這個問題將花費一臺傳統(tǒng)超算10的25次方年的時間解決。

這一成果得益于一顆名為Willow的新芯片，這顆芯片是在Google位于圣巴巴拉的全新先進(jìn)制造工廠制造的，這是全球為數(shù)不多的幾個從頭開始就是為了處理量子芯片生產(chǎn)的獨特挑戰(zhàn)而建造的設(shè)施。谷歌使用了隨機電路采樣 （Random Circuit Sampling, RCS） 基準(zhǔn)測試來衡量 Willow 的性能，Willow芯片在不到五分鐘的時間內(nèi)完成了計算，而同樣的計算對于最快的超級計算機來說需要超過宇宙年齡的時間，這突顯了量子系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)計算機的巨大計算優(yōu)勢。

此次Google公布的Willow芯片擁有105個“量子位”，量子位是量子計算機的組成部分，量子位運行速度很快，但容易出錯。在通常情況下，使用的“量子位”越多，發(fā)生的錯誤就越多。為了保護(hù)量子信息免受這些影響，研究人員開發(fā)了量子糾錯碼，但其有效性依賴于一個假設(shè)：即單個物理量子位上的錯誤率必須足夠低，以便糾錯過程本身不會引入比它修正的更多的錯誤。

Willow的取得的突破就在于此。谷歌表示，Willow實現(xiàn)了“低于閾值”的量子糾錯，意味著隨著添加更多的量子位，系統(tǒng)的誤差率會指數(shù)級下降，這一成果解決了量子計算領(lǐng)域近30年來的核心挑戰(zhàn)，不僅提升了量子計算機的可靠性，還為未來建造更大規(guī)模的量子計算機奠定了基礎(chǔ)。

Willow在各方面的表現(xiàn)

國盾量子云平臺負(fù)責(zé)人儲文皓向觀察者網(wǎng)表示，谷歌此次的動作可能更多是在準(zhǔn)備后續(xù)的商業(yè)發(fā)布，早在今年八月份，谷歌曾于arXiv發(fā)表論文《低于表面碼閾值的量子糾錯》（Quantum error correction below the surface code threshold），展示了通過量子糾錯技術(shù)，可以有效地降低量子計算過程中的錯誤率，即使在量子位數(shù)量增加的情況下也能保持較低的錯誤率，這篇論文當(dāng)時已經(jīng)在業(yè)內(nèi)引起了關(guān)注和震撼。

在這篇論文中，谷歌團隊展示了使用表面碼（Surface Code）實現(xiàn)了低于閾值的量子糾錯。在容錯量子計算中，表面碼（Surface Code）因其相對簡單的物理實現(xiàn)和高錯誤閾值而受到青睞。在論文中，當(dāng)研究人員將陣列從3×3擴展到5×5再到7×7時，每次擴展都能將編碼錯誤率降低2.14倍。谷歌的這一結(jié)果證實了量子糾錯理論所預(yù)測的指數(shù)級錯誤抑制效果，被認(rèn)為是十分重要的技術(shù)進(jìn)步，不亞于甚至超過了2019年谷歌宣布的量子霸權(quán)（quantum supremacy），與近期谷歌與DeepMind團隊合作開發(fā)的一個基于人工智能的解碼器Alphaqubit相輔相成。

此前南方科技大學(xué)也在其芯片上驗證過類似的概念，而谷歌這次在實驗體系中實現(xiàn)了d=5和d=7的糾錯，并證明了7的效果顯著優(yōu)于5，而5又明顯優(yōu)于3，表明其在量子控制技術(shù)上達(dá)到了新的高度。谷歌此次的工作體現(xiàn)了業(yè)內(nèi)對量子糾錯方向的共識，即通過有效的糾錯機制確保量子計算機的可靠性和實用性。

儲文皓向觀察者網(wǎng)解釋說，谷歌一直使用的仍然是表面碼（Surface Code），糾錯算法本身并沒有發(fā)生根本性的變化，真正的進(jìn)步發(fā)生在“隱秘的角落”，例如高精密的量子控制手段。此外，借助人工智能（AI）實現(xiàn)了更有效的解碼器（decoder）方案篩選和軟硬件上的實時線路編譯，這些技術(shù)進(jìn)步共同推動了量子糾錯能力的提升，谷歌實現(xiàn)的是d=7>5>3，而國內(nèi)目前的研究水平應(yīng)該處于d=5>3的位置，在國外團隊已經(jīng)驗證更大的碼距可以換來更好的糾錯效率的情況下，中國在量子計算領(lǐng)域的研究和發(fā)展正迅速跟進(jìn)，我們期待在不久的將來也能看到國內(nèi)量子計算團隊和公司在這個方向的進(jìn)展。

相比糾錯算法和測控手段上的進(jìn)步，谷歌本次展現(xiàn)的在硬件層面的技術(shù)革新相對較少，芯片上使用的Tunbale Coupler可調(diào)耦合器的架構(gòu)自2019年以來就已經(jīng)被采用，國內(nèi)如南方科技大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及北京量子信息科學(xué)研究院在內(nèi)的機構(gòu)都有團隊在這個方面有所突破。

Willow芯片的開發(fā)是Google在量子計算領(lǐng)域長期研究的一部分。Google自2014年以來一直在研究量子計算，并在2019年宣布其量子計算機實現(xiàn)了“超越經(jīng)典”的性能，Willow芯片的推出標(biāo)志著Google在量子計算硬件方面的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在量子糾錯技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展。

谷歌此次公布的成果是一個里程碑，但距離工業(yè)化應(yīng)用尚有很遠(yuǎn)的距離。Google的量子AI部門創(chuàng)始人哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）表示，盡管目前還沒有已知的有用應(yīng)用，但谷歌的目標(biāo)是在未來推出一個傳統(tǒng)計算機無法解決的真實用例，團隊的下一個目標(biāo)是實現(xiàn)第一個“有用、超越經(jīng)典計算機”的實際應(yīng)用計算，這可能包括新藥開發(fā)、電動車電池優(yōu)化設(shè)計、核聚變研究和新能源開發(fā)等領(lǐng)域。

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