谷歌量子芯片有多強(qiáng)！當(dāng)?shù)貢r間12月9日，谷歌公布了其最新超導(dǎo)量子計算芯片Willow。在隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測試中，Willow在5分鐘內(nèi)完成了當(dāng)前最強(qiáng)大的超級計算機(jī)之一需要102?年才能完成的計算任務(wù)。這一消息由谷歌首席執(zhí)行官桑達(dá)爾·皮查伊在社交平臺上發(fā)布，并收到了SpaceX創(chuàng)始人馬斯克和OpenAI首席執(zhí)行官奧特曼的留言互動。皮查伊與馬斯克還討論了利用星艦在太空構(gòu)建量子集群的可能性。

Willow不僅在RCS基準(zhǔn)測試中取得了驚人的成績，在量子糾錯、相干時間、系統(tǒng)工程等方面也取得了突破性進(jìn)展。特別是在量子糾錯領(lǐng)域，谷歌量子AI團(tuán)隊解決了困擾該領(lǐng)域近30年的關(guān)鍵問題。錯誤率一直是量子計算的主要挑戰(zhàn)之一。相比標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)CPU每十億次到每萬億次的錯誤率，量子計算機(jī)的錯誤率要高得多。當(dāng)前最先進(jìn)的量子計算機(jī)的錯誤率通常在1%~0.1%之間。

1995年，麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)教授彼得·肖爾提出了量子糾錯理論，核心思想是將多個物理量子比特編碼為邏輯量子比特，以檢測并糾正某些錯誤。基于這一理念，各種類型的量子糾錯代碼被陸續(xù)提出，其中表面碼被認(rèn)為具有較高的工程實(shí)現(xiàn)價值。表面碼是一種拓?fù)浼m錯碼，用二維量子比特點(diǎn)陣編碼邏輯量子比特，具有較高的糾錯閾值。表面碼只需要近鄰耦合，對錯誤率的閾值要求較低，盡管其編碼效率不高，但已成為目前最具工程實(shí)現(xiàn)價值的編碼方法之一，特別適合超導(dǎo)量子芯片。

谷歌Willow的關(guān)鍵進(jìn)展在于實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特以低于量子糾錯閾值的錯誤率運(yùn)行。這意味著隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率會逐漸降低。谷歌團(tuán)隊測試了從3x3到5x5再到7x7的物理量子比特陣列，錯誤率依次減半。這使得Willow能夠在擴(kuò)大量子比特數(shù)量的同時降低錯誤率，并首次在超導(dǎo)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時糾錯，使錯誤能夠在對計算產(chǎn)生破壞之前就被糾正。

除了在量子糾錯方面的顯著進(jìn)展，Willow還在基礎(chǔ)測試中展現(xiàn)出更強(qiáng)的計算能力和相干時間。憑借105個量子比特，Willow在RCS基準(zhǔn)測試中，以不到五分鐘的時間完成了一項(xiàng)計算，而當(dāng)前最快的超級計算機(jī)之一需要10的25次方年才能完成同一任務(wù)。谷歌量子AI創(chuàng)始人哈特穆特·乃文表示，Willow的RCS測試結(jié)果為量子計算發(fā)生在多個平行宇宙的觀點(diǎn)提供了可信度。

Willow還將量子相干時間提高了5倍，達(dá)到100微秒，是Sycamore的5倍。這意味著Willow能夠維持更長的計算“工作時間”，完成更多的計算。Willow的性能躍升離不開制造技術(shù)的進(jìn)步，芯片的生產(chǎn)是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工廠完成的。設(shè)計和制造量子芯片時，系統(tǒng)工程是關(guān)鍵，所有組件都必須經(jīng)過精細(xì)的設(shè)計和集成。

面向未來的發(fā)展，量子計算芯片的下一個挑戰(zhàn)是在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)“有用、超越經(jīng)典”的計算。谷歌的目標(biāo)是在踏入經(jīng)典計算機(jī)無法企及且對現(xiàn)實(shí)世界、商業(yè)相關(guān)問題有用的算法領(lǐng)域。