要点:
Google宣布推出最新量子芯片Willow，突破量子纠错和计算速度极限，标志着量子计算商业应用的重要进展。
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Google/谷歌对外宣布推出最新的量子芯片“Willow”。Willow在多个关键指标上展现了最先进的性能，并实现了两项重大突破。
随着在量子位数上的扩展，Willow能够实现指数级的错误减少，这解决了量子纠错这一领域近30年来一直追求的核心挑战。其次，Willow在不到五分钟的时间内完成了标准基准计算，这项计算在目前世界上最快的超级计算机上需要10 兆（即10的25次方）年才能完成，这一数字远远超过了宇宙的年龄。
Willow芯片标志着谷歌十多年前起步的旅程迈出了重要的一步。当谷歌量子人工智能AI创办人兼负责人Hartmut Neven在2012年创立Google Quantum AI时，他的愿景是打造一台实用的大型量子计算机，利用量子力学中所知的自然“操作系统”，推动科学发现、造福社会、开发实际应用，并解决一些社会面临的重大挑战。作为Google研究的一部分，谷歌AI团队设定了长期的路线图，而Willow无疑推动朝着商业应用的方向迈出了关键一步。
指数量子纠错，低于阈值
错误是量子计算中的一个重大挑战，因为量子位元（量子计算机中的基本计算单元）往往会与环境迅速交换信息，这使得保护完成计算所需的内容变得十分困难。通常，使用的量子位元越多，发生的错误也越多，系统就会变得更加接近经典计算。
今天，谷歌AI团队在“自然”杂志上发布的研究结果表明，随着在Willow中使用更多的量子位元，能够进一步减少错误率，并提高系统的量子化程度。
此外，团队测试了越来越大规模的量子位元阵列，从3x3的编码量子位元网格扩展到5x5网格，再到7x7网格。在每一次扩展中，凭借在量子纠错领域的最新进展，成功将错误率减半。换句话说，目前已经实现了错误率的指数下降，这一历史性成就被称为“低于阈值”：即在扩大量子位元的同时减少错误。这一突破性进展自Peter Shor在1995年提出量子纠错理论以来，一直是量子计算中的重大挑战。
这一成果还包括其他科学上的“首次”。比如，它也是超导量子系统实时纠错的第一个令人信服的例子之一。这一点至关重要，因为如果无法快速纠正错误，错误将会在计算完成之前破坏整个计算。这展示了“超越收支平衡”的成果，量子位元阵列比单个物理量子位元的寿命更长，显然表明纠错正在改善整个系统的性能。
作为首个“低于阈值”的系统，这无疑是迄今为止构建的最具说服力的可扩展逻辑量子位元原型。它强烈表明，真正有用的大型量子计算机是可以构建的。Willow使团队更接近实现能够运行商业相关算法的实用量子计算，而这些算法是传统计算机无法完成的任务。
当今最快的超级电脑之一已运行10个septillion年
为了衡量Willow的性能，团队使用了随机电路采样/RCS基准测试。RCS是由谷歌AI团队首创的，并已成为该领域的标准，广泛应用于评估量子计算机的能力。它被认为是当前量子计算机能够完成的最具挑战性的经典基准测试。可以将其视为量子计算的“入门测试”，用来验证量子计算机是否能够执行经典计算机无法完成的任务。任何量子计算机团队都应首先检验其是否能在 RCS 基准测试中超越经典计算机，否则有充分理由怀疑它是否能够处理更复杂的量子任务。团队一直通过此基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展，在2019年10月报告了Sycamore的结果，最近则在2024年10月更新了这些结果。
Willow在这一基准测试中的表现令人惊艳：它在五分钟内完成了一项计算，而当今最快的超级计算机需要10的25次方年（即1000亿亿年）才能完成这项任务。用具体数字来说，便是10,000,000,000,000,000,000,000,000年，这个难以置信的时间远远超过了物理学中已知的时间尺度，甚至超越了宇宙的年龄。
这一结果似乎验证了量子计算可能发生在多元宇宙中的观点，也与大卫·多伊奇最初提出的多元宇宙理论相一致。正如下图所示，Willow的这些最新成果是我们迄今为止取得的最佳成绩，然而我们将继续推进，力求取得更多进展。
团队对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，基于了一些保守的假设。例如，团队假设可以完全访问二级存储（即硬盘），并且没有任何带宽开销——这一假设对于Frontier来说是非常宽松且不切实际的。正如团队在2019年首次宣布超越经典计算后所看到的那样，可以预计经典计算机会在这一基准测试中不断改进，但量子处理器与经典计算机之间差距的快速扩展，表明量子计算的进步正在以双指数速度加速，并且这种增长将持续下去。
最先进的性能
Willow是在位于圣塔芭芭拉的全新、最先进的制造工厂中生产的，这座工厂是全球少数几家专为此目的从零开始建造的设施之一。在设计和制造量子晶片时，系统工程起着至关重要的作用：晶片的每个组件，例如单量子位元门、双量子位元门、量子位元重置和读取，都必须精心设计并紧密整合。如果任何一个组件进展滞后，或者两个组件未能有效协同工作，系统的整体性能将会受到影响。因此，为了最大化系统性能，每一个工序都受到严格把控，从晶片架构和制造到门的开发与校准。成就来源于对量子计算系统的整体评估，而非单纯评估其中的某一因素。
团队关注的是质量，而不仅仅是数量。因为若质量不够高，单纯增加更多量子位元并没有实质意义。凭借105个量子位，Willow在前述的两个关键系统基准测试中展现了卓越的性能：量子纠错和随机电路取样。这些算法基准是评估整体晶片性能的最佳方式。虽然其他更具体的性能指标同样重要，例如T1时间（衡量量子位元保持激发的时间，这是量子计算中至关重要的运算资源），目前已接近100微秒，相比上一代晶片，提升了约5倍。如果想对量子硬件进行评估并进行跨平台对比，请查看以下关键规格表：
Willow及其他公司的下一步计划是什么
该领域的下一个挑战是展示量子芯片在实际应用中能够执行“有用且超越经典的”计算。团队对Willow这一代芯片能够帮助我们实现这一目标充满信心。到目前为止，团队已经进行了两种不同类型的实验。一方面，完成了RCS基准测试，这个测试用来衡量量子计算机在经典计算机面前的表现，尽管它并没有直接应用于实际任务。另一方面，也进行了具有科学意义的量子系统模拟，虽然这些模拟带来了新的科学发现，但仍处于经典计算机可以处理的范围之内。团队的目标是同时实现这两个方面，进入经典计算机无法突破的算法领域，并且解决现实世界中的商业相关问题。
团队邀请研究人员、工程师和开发人员加入旅程，探索开源软件和教育资源，包括在Coursera上的新课程。开发人员可以在这些课程中学习量子纠错的基础知识，并帮助打造能够解决未来问题的算法。
当Hartmut Neven被问及，为什么自己离开了快速发展的人工智能领域，转而专注于量子计算。他的回答是，两者都将成为我们时代最具变革性的技术，而先进的人工智能将从量子计算中受益匪浅。这就是为什么我将我们的实验室命名为“量子人工智能”的原因。
正如在RCS基准测试中看到的，量子算法具备基本的缩放规律，而许多人工智能领域的基础运算任务也具有类似的扩展优势。因此，量子计算对于收集经典计算机无法获取的训练数据、训练和优化特定学习模型以及模拟具有量子效应的系统至关重要。这些应用包括帮助发现新药、为电动车设计更高效的电池，以及加速核聚变和新能源替代方案的进展。许多未来能够改变游戏规则的应用，在传统计算机上是无法实现的，它们正在等待量子计算的解锁。
注：本文改编自Google的一篇博文，感兴趣的可以点击此链接查看原帖
