彼時，即便是全球頂尖的超級計算機(jī)，也需耗時萬年方能完成的復(fù)雜實驗，谷歌研發(fā)的量子計算機(jī)卻以驚人的速度，僅用時3分20秒便輕松達(dá)成。谷歌的首席執(zhí)行官桑達(dá)爾·皮查伊（Sundar Pichai）生動地將這一壯舉比作“萊特兄弟那劃時代的歷史性首飛”，彰顯其非凡意義。
轉(zhuǎn)眼至2024年12月10日，谷歌官方網(wǎng)站再次傳來振奮人心的消息，其量子技術(shù)領(lǐng)域取得了新的飛躍：
最新研發(fā)的量子芯片Willow，在短短不到5分鐘的時間內(nèi)，便圓滿完成了一項基準(zhǔn)測試。這項測試的難度之大，即便是當(dāng)下速度最快的超級計算機(jī)，也需耗時“10的25次方”年才能勉強(qiáng)完成，這一時間跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了宇宙的悠久歲月，令人嘆為觀止。
谷歌表示，隨著團(tuán)隊使用更多的量子位進(jìn)行擴(kuò)展，Willow可以成倍地減少錯誤，解決了該領(lǐng)域近 30 年來一直在研究的量子糾錯的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為實用的大規(guī)模量子計算機(jī)鋪平了道路。
谷歌這一研究引起了科技圈的關(guān)注，在X上皮查伊發(fā)文官宣了這項進(jìn)展后，馬斯克在評論區(qū)回復(fù)“Wow”表示贊嘆，皮查伊隨即表示有朝一日應(yīng)該用SpaceX的星艦在太空里建個量子集群，馬斯克則回應(yīng)“這很可能會發(fā)生”。
5分鐘完成10億億億年計算
這一成果由谷歌CEO皮猜本人親自在??官宣，并已在Nature上加急發(fā)表。
帶您了解谷歌量子計算芯片Willow
01
什么是量子計算？
量子計算是計算機(jī)科學(xué)的一個領(lǐng)域，利用量子力學(xué)來解決傳統(tǒng)計算機(jī)無法解決的問題。與使用比特（bits）表示信息為0或1的傳統(tǒng)計算機(jī)不同，量子計算機(jī)依賴于量子比特（qubits）。
傳統(tǒng)比特只能持有單一的值（0或1），量子比特則可以通過一種叫做疊加（superposition）的量子現(xiàn)象，同時表示0和1。此外量子比特還可以表現(xiàn)出糾纏現(xiàn)象，使得兩個量子比特能夠同時表示00、01、10和11等組合。這些獨特的特性使得量子計算機(jī)能夠處理即使是最先進(jìn)的超級計算機(jī)也無法解決的問題。
02
什么是谷歌Willow芯片？
谷歌Willow芯片是谷歌量子計算團(tuán)隊開發(fā)的一款先進(jìn)的量子處理器。這款芯片在量子計算領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，特別是在量子糾錯和可擴(kuò)展性方面。
量子比特數(shù)量：Willow芯片包含了大量的物理量子比特，這些量子比特是量子計算的基礎(chǔ)單元。通過先進(jìn)的量子糾錯技術(shù)，Willow芯片能夠在這些物理量子比特的基礎(chǔ)上構(gòu)建出邏輯量子比特，這些邏輯量子比特比物理量子比特更穩(wěn)定、更可靠。
量子糾錯技術(shù)：Willow芯片采用了先進(jìn)的量子糾錯技術(shù)，如表面碼等。這些技術(shù)通過分組協(xié)同工作，將多個物理量子比特組合成一個邏輯量子比特，從而提高了量子計算的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，Willow芯片還實現(xiàn)了實時糾錯，能夠在計算過程中及時糾正錯誤，確保計算的順利進(jìn)行。
可擴(kuò)展性：Willow芯片在可擴(kuò)展性方面取得了重要突破。通過優(yōu)化芯片設(shè)計和量子糾錯算法，谷歌團(tuán)隊成功地將量子比特的數(shù)量和性能提升到了一個新的水平。這為未來的量子計算機(jī)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
03
谷歌Willow芯片的工作原理
一、量子計算原理
量子比特（Qubits）：與傳統(tǒng)計算機(jī)中的比特（bits）不同，量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)，這種特性使得量子計算機(jī)能夠同時處理大量信息。Willow芯片擁有105個物理量子比特，這些量子比特是芯片進(jìn)行量子計算的基礎(chǔ)。
量子糾纏（Quantum Entanglement）：量子糾纏是量子計算中的一種重要現(xiàn)象，當(dāng)兩個或多個量子比特處于糾纏態(tài)時，它們的狀態(tài)是相互關(guān)聯(lián)的，無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。這種特性使得量子計算機(jī)能夠在不同量子比特之間傳遞信息，從而加速計算過程。
量子并行性（Quantum Parallelism）：量子計算機(jī)能夠同時執(zhí)行多個計算任務(wù)，這種特性被稱為量子并行性。Willow芯片利用量子并行性，能夠在短時間內(nèi)完成復(fù)雜的計算任務(wù)。
二、量子糾錯技術(shù)
表面碼（Surface Codes）：Willow芯片采用了表面碼進(jìn)行量子糾錯。表面碼是一種將量子比特分組協(xié)同工作的技術(shù)，每個分組形成一個d×d的量子比特網(wǎng)格，稱為表面碼。隨著晶格的增大，系統(tǒng)能容忍的錯誤也更多，理論上邏輯量子比特的保護(hù)性和性能都會提高。
錯誤率降低：Willow芯片通過擴(kuò)大物理量子比特的陣列，并利用最新的量子糾錯技術(shù)，實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級降低。從3×3的編碼量子比特網(wǎng)格到5×5、再到7×7的網(wǎng)格，每一次擴(kuò)展都帶來了錯誤率的大幅下降。
邏輯量子比特性能提升：隨著表面碼規(guī)模的擴(kuò)展，邏輯量子比特的性能也隨之提升。Willow芯片上的7×7邏輯量子比特的壽命是其最佳物理量子比特的2倍，同時也是谷歌之前在Sycamore上表面碼的20倍。
三、超導(dǎo)量子系統(tǒng)
超導(dǎo)材料：Willow芯片采用了超導(dǎo)材料作為量子比特的載體。超導(dǎo)材料在低溫下具有零電阻的特性，這使得量子比特能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，減少計算過程中的誤差。
實時糾錯：Willow芯片是首個在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中進(jìn)行實時誤差修正的成功案例。通過實時糾錯技術(shù)，Willow芯片能夠在計算過程中及時糾正錯誤，確保計算的準(zhǔn)確性。
04
應(yīng)用前景
Willow芯片的成功開發(fā)為量子計算的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。量子計算機(jī)在材料科學(xué)、藥物研發(fā)、金融建模等領(lǐng)域具有巨大的潛力，能夠解決傳統(tǒng)計算機(jī)無法處理的問題。隨著量子計算技術(shù)的不斷發(fā)展，Willow芯片有望成為推動這些領(lǐng)域創(chuàng)新的重要工具。
兩項重大技術(shù)突破
第一，Willow解決了30多年來一個關(guān)鍵難題，可以在使用更多量子比特進(jìn)行擴(kuò)展時指數(shù)級地減少錯誤。
自1995年P(guān)eter Shor提出量子糾錯理論以來，科學(xué)家們一直在努力尋找有效的方法來糾正量子計算中的錯誤。在量子計算中，量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致信息丟失或狀態(tài)改變從而產(chǎn)生計算錯誤，會嚴(yán)重影響量子計算機(jī)執(zhí)行復(fù)雜計算任務(wù)的能力。所以，如何有效地進(jìn)行量子糾錯成為了實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的關(guān)鍵難題。
而Willow可以在增加量子比特數(shù)量的同時有效地控制并減少錯誤，并實現(xiàn)了“低于閾值”的表現(xiàn)，這意味著它可以驅(qū)動錯誤率降到足夠低的程度，以至于即使增加量子比特的數(shù)量，也能保持良好的糾錯效果。
第二，Willow在量子計算方面實現(xiàn)宇宙級突破。在RCS標(biāo)準(zhǔn)測試基準(zhǔn)中，Willow能在5分鐘內(nèi)完成計算測試，而當(dāng)今最快的計算機(jī)來進(jìn)行測試都最少需要10個septillion年。也就是10^25年，大約100億億年，其計算能力只能用恐怖來形容。
就連OpenAI的首席執(zhí)行官Sam Altman都特意點贊轉(zhuǎn)發(fā)大大的祝賀，可見Willow的成果有多大。
寫在最后
谷歌量子芯片Willow的發(fā)布標(biāo)志著量子計算領(lǐng)域的一個重要里程碑。它在量子糾錯技術(shù)上的突破和超越超級計算機(jī)的性能展示了量子計算的巨大潛力和商業(yè)應(yīng)用的可能性。市場對此反應(yīng)熱烈，谷歌股價應(yīng)聲上漲，同時激發(fā)了整個量子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱情。業(yè)界專家和科技大佬如馬斯克也對其成就表示驚嘆和認(rèn)可。展望未來，Willow芯片有望在多個實際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并推動高級AI的發(fā)展。（文/宋雨涵）
