編譯 | ZeR0
編輯 | 漠影
芯東西12月10日報道，今日凌晨，谷歌公布重大突破——其***新量子芯片Willow在基準測試取得驚人成績，不到5分鐘完成一項標準計算。
而如今***快的超級計算機完成同樣的任務，足足要花費超過10^25年的時間，比宇宙的年齡還長！
Willow的突破可在使用更多量子比特的情況下成倍減少錯誤，破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰(zhàn)。
Alphabet及谷歌CEO皮查伊發(fā)文官宣這項重磅進展后，馬斯克立即評論“Wow”。倆人還在評論區(qū)熱聊起來，皮查伊建議有朝一日用SpaceX的星艦在太空里建個量子集群，馬斯克則回應“這很可能會發(fā)生”。
連剛發(fā)布Sora視頻大模型新品的OpenAI聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO薩姆·阿爾特曼都抽空道喜：“大大的祝賀！！”皮查伊回禮道：“多元宇宙未來的量子+AI即將到來，也恭喜o1發(fā)布！”
皮查伊說，Willow是構(gòu)建有用的量子計算機的重要一步，它在藥物發(fā)現(xiàn)、聚變能、電池設計等領域都有實際應用。
“我認為大多數(shù)人并沒有完全理解這一突破的重要性。”大衛(wèi)·馬庫斯發(fā)文強調(diào)說，“這一突破意味著后量子密碼學和加密技術(shù)需要進一步發(fā)展。”
在谷歌量子計算部門首席運營官Charina Chou看來，這一成就意味著到21世紀末，量子計算機能夠?qū)崿F(xiàn)甚至***強大的超級計算機都無法實現(xiàn)的科學發(fā)現(xiàn)。
谷歌量子AI團隊負責人哈特穆特·內(nèi)文談道，量子算法有基本的scaling law，許多對AI至關(guān)重要的基礎計算任務也有類似scaling優(yōu)勢，因此量子計算對于收集傳統(tǒng)機器無法訪問的訓練數(shù)據(jù)、訓練和優(yōu)化某些學習架構(gòu)以及對量子效應很重要的系統(tǒng)進行建模將是必不可少的。這包括幫助發(fā)現(xiàn)新藥、為電動汽車設計更高效的電池，以及加速核聚變和新能源替代品的進展。
許多未來改變游戲規(guī)則的應用程序中在傳統(tǒng)計算機上是行不通的，它們正等待量子計算來解鎖。
相關(guān)論文已發(fā)表于國際***期刊Nature。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
01 .
Willow芯片：105個量子比特，
破解30年來重大挑戰(zhàn)
錯誤是量子計算面臨的***挑戰(zhàn)之一，因為量子比特往往會與周圍環(huán)境快速交換信息，因此很難保護完成計算所需的信息。通常，使用的量子比特越多，錯誤就會越多，系統(tǒng)就會變得像經(jīng)典系統(tǒng)一樣。
目前的量子計算機對于大多數(shù)商業(yè)或科學應用來說太小且容易出錯。而谷歌的實驗表明，采用正確的糾錯技術(shù)，量子計算機在規(guī)模擴大后能以越來越高的準確度執(zhí)行計算，而且這種改進的速度超過了一個關(guān)鍵臨界值。
“這是我們30年來的目標。”谷歌總部研究科學家邁克爾·紐曼在宣布這一成就的新聞發(fā)布會上說。
據(jù)谷歌量子硬件部門負責人、物理學家朱利安·凱利解釋，量子計算機將信息編碼為可以表示0或1的狀態(tài)，但也可以采用多個0和1的無限可能組合。
但這些量子信息狀態(tài)非常脆弱，要讓量子計算機執(zhí)行有用的計算，你需要量子信息，并且需要保護它免受環(huán)境和操作的影響。
為了實現(xiàn)這種保護（沒有這種保護，量子計算就無法實現(xiàn)），理論家們從1995年開始開發(fā)巧妙的方案，將一個量子比特的信息分散到多個“物理”量子比特上。由此產(chǎn)生的“邏輯量子比特”至少在理論上能夠抵御噪聲。要使這種稱為量子誤差校正的技術(shù)在實踐中發(fā)揮作用，就必須證明這種將信息分散到多個量子比特上的方法能夠有效降低錯誤率。
過去幾年，IBM、AWS等多家公司和學術(shù)團體已經(jīng)證明，糾錯可以略微提高準確性 。谷歌在2023年初發(fā)布了一項成果，該成果使用了其Sycamore量子處理器中的49個量子比特，該處理器在超導電路中對每個物理量子比特進行編碼。
谷歌新芯片名為Willow，是其更大、改進的版本，有105個物理量子比特。它是在谷歌于2021年在加州圣巴巴拉的量子計算園區(qū)建造的制造實驗室中開發(fā)的。
系統(tǒng)工程是設計和制造量子芯片的關(guān)鍵：芯片的所有組件都必須同時經(jīng)過精心設計和集成。如果任何組件滯后或兩個組件不能很好地協(xié)同工作，就會拖累系統(tǒng)性能。因此，***化系統(tǒng)性能貫穿于全流程，從芯片架構(gòu)和制造到門開發(fā)和校準。其報告的成就是整體評估量子計算系統(tǒng)，而不是一次只評估一個因素。
谷歌注重質(zhì)量，而不僅僅是數(shù)量。Willow在量子糾錯和隨機電路采樣兩個系統(tǒng)基準測試中均擁有一流的性能。此類算法基準測試是衡量芯片整體性能的***方式。
其他更具體的性能指標也很重要；例如，T1時間（測量量子比特可以保留激發(fā)的時間長短——關(guān)鍵的量子計算資源）現(xiàn)在接近100µs，相比谷歌上一代芯片相比，實現(xiàn)約5倍的改進。
谷歌量子計算部門負責人哈特穆特·內(nèi)文說，這是量子計算機相對于傳統(tǒng)計算機的優(yōu)勢的***新體現(xiàn)。
02 .
將錯誤率指數(shù)級降低，
性能遠超傳統(tǒng)超算
谷歌在Nature上發(fā)表的研究結(jié)果表明，Willow中使用的量子比特越多， 錯誤減少得就越多，系統(tǒng)就越量子化。
研究團隊測試了越來越大的物理量子比特陣列，從3x3編碼量子比特網(wǎng)格擴展到5x5，再到7x7——每一次，利用在量子糾錯方面的***新進展，他們都能夠?qū)㈠e誤率降低一半。
換句話說，他們實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級降低。
這一歷史性成就在業(yè)界被稱為“低于臨界值（below threshold）”——能在增加量子比特數(shù)量的同時降低錯誤。
必須證明低于臨界值才能證明在糾錯方面取得了真正的進展，自1995年P(guān)eter Shor引入量子糾錯以來，這一直是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
這一結(jié)果還涉及其他科學“***”。
例如，它也是超導量子系統(tǒng)實時糾錯的首批引人注目的例子之一。這對于任何有用的計算都至關(guān)重要，因為如果不能足夠快地糾正錯誤，它們會在完成計算之前毀掉它。
其量子比特陣列比單個物理量子比特的壽命更長，這表明糾錯正在改善整個系統(tǒng)。
作為首個低于臨界值的系統(tǒng)，這是迄今為止構(gòu)建的可擴展邏輯量子比特***令人信服的原型。這有力地表明，實用的超大型量子計算機確實可以構(gòu)建。Willow使之更接近運行傳統(tǒng)計算機上無法復制的實用、商業(yè)相關(guān)算法。
為了衡量Willow的性能，研究團隊使用了其首創(chuàng)的隨機電路采樣 （RCS）基準。
這是當今量子計算機上可以完成的***難的傳統(tǒng)基準。你可以將其視為量子計算的切入點，它檢查量子計算機是否在做一些傳統(tǒng)計算機上無法完成的事情。
任何構(gòu)建量子計算機的團隊都應該首先檢查它是否可以在RCS上擊敗傳統(tǒng)計算機；否則有充分的理由懷疑它能否處理更復雜的量子任務。
谷歌一直使用這個基準來評估從一代芯片到下一代芯片的進展。他們在2019年10月報告了Sycamore的結(jié)果，***近在2024年10月再次報告了其結(jié)果。
Willow在這項基準測試中的表現(xiàn)令人驚嘆：不到5分鐘的時間內(nèi)完成了一項計算，而當今***快的超級計算機之一需要10^25年才能完成。
如果要寫出來， 則是：
10,000,000,000,000,000,000,000,000年。
這個令人難以置信的數(shù)字超出了物理學中已知的時間尺度，遠遠超過了宇宙的年齡。
它證實了量子計算發(fā)生在許多平行宇宙中的觀點，這與量子物理學家戴維·多伊奇首次提出的我們生活在多元宇宙中的觀點一致。
如圖所示，Willow的***新結(jié)果是谷歌迄今為止***的。
▲計算成本受可用內(nèi)存的影響很大，因此谷歌的估算考慮了一系列場景，從內(nèi)存無限的理想情況（▲）到更實用的GPU并行實現(xiàn)（⬤）
谷歌對Willow如何超越世界上***強大的經(jīng)典超級計算機之一Frontier的評估是基于保守的假設。例如，假設可以完全訪問二級存儲（即硬盤），而無需任何帶寬開銷——這對Frontier來說是一個慷慨而不切實際的假設。
正如谷歌在2019年宣布首次超越經(jīng)典計算后發(fā)生的那樣，他們預計經(jīng)典計算機將在這個基準上繼續(xù)改進，但迅速擴大的差距表明，量子處理器正以雙倍指數(shù)的速度趕超經(jīng)典計算機，并且隨著擴大規(guī)模，其性能將繼續(xù)遠遠超過經(jīng)典計算機。
03 .
結(jié)語：向商業(yè)應用邁進
2012年谷歌量子計算AI團隊創(chuàng)立時，愿景是構(gòu)建一臺實用的大型量子計算機，利用量子力學推動科學發(fā)現(xiàn)、開發(fā)有用的應用程序和解決一些社會***挑戰(zhàn)，從而造福社會。作為Google Research的一部分，其團隊已經(jīng)制定了長期路線圖，而Willow正推動他們朝著商業(yè)相關(guān)應用的方向邁進。
該領域的下一個挑戰(zhàn)是展示當今量子芯片上***個“有用的、超越經(jīng)典”的計算，該計算與實際應用相關(guān)。谷歌團隊樂觀地認為Willow一代芯片可以幫助他們實現(xiàn)這一目標。迄今他們已經(jīng)進行了兩種不同類型的實驗。一是運行RCS基準測試，衡量了與傳統(tǒng)計算機的性能，但尚無實際的商業(yè)應用；二是對量子系統(tǒng)進行了科學上有趣的模擬，這推動了新的科學發(fā)現(xiàn)，但仍在傳統(tǒng)計算機的范圍內(nèi)。
其目標是同時完成這兩件事，進入傳統(tǒng)計算機無法企及的算法領域，這些算法對現(xiàn)實世界的商業(yè)相關(guān)問題有用。
