谷歌量子芯片的突破點在哪兒

前不久，美國谷歌公司發布最新量子芯片“威洛”（Willow），稱其在計算速度和糾錯能力方面取得“兩個重大進步”，不到5分鐘就完成了當今領先的超級計算機需要1025年才能完成的任務，為研制實用的大規模量子計算機奠定了堅實基礎。

消息一出，立即引起廣泛關注。美國太空探索技術公司首席執行官埃隆·馬斯克和開放人工智能研究中心（OpenAI）首席執行官薩姆·奧爾特曼，也為“威洛”的面世點贊。

何為量子芯片？在科技界掀起如此波瀾的“威洛”究竟是否有“真才實學”？筆者近日采訪相關專家，對量子計算一探究竟。

大規模并行計算有優勢

“量子芯片是利用量子糾纏和量子疊加等量子力學原理進行信息處理的核心部件。”上海交通大學集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任金賢敏對筆者解釋道，“傳統芯片基于經典物理學原理，基本信息處理單位為比特，每個比特只能取值0或1；而量子芯片的基本信息處理單位為量子比特，每個量子比特可以為0或1，或兩者的疊加態。這種疊加態的存在使量子芯片能夠在同一時間處理多種數據，從而比傳統芯片更快、更高效地解決某些復雜問題。”

根據量子力學原理，量子糾纏是指兩個或多個粒子在相互作用后，它們的狀態變得緊密相關，以至于一個粒子的狀態變化會瞬間影響到與之糾纏的其他粒子的狀態，無論這些粒子相距多遠。金賢敏介紹：“量子糾纏使量子芯片在處理信息時具有更強的關聯性和協同性。量子疊加和量子糾纏使量子芯片在處理大規模并行計算時具有顯著優勢，能夠實現更快的計算速度和更強的信息安全性。”

“威洛”由谷歌量子人工智能（AI）部門研發，內含105個物理超導量子比特。該部門負責人哈特穆特·內文在公司官網撰文稱，“威洛”是部門十幾年辛勤研發的結晶，是公司目前最強大的超導量子芯片。

內文稱，在設計和制造量子芯片時，系統工程是關鍵。為達到最佳性能，他們對芯片的所有組件，如單量子比特和雙量子比特門、量子比特重置和讀出，都進行了良好的設計和集成。此外，他們還集成了一個持續監控系統，其能實時檢測“威洛”內可能導致錯誤的干擾，并自動干預，以維持計算過程的完整性和精確性。

谷歌量子AI部門硬件總監朱利安·凱利說，在他們的精心打磨下，“威洛”取得了兩個重大進步：一是糾錯能力顯著提升，二是解決特定問題運算速度更快。

糾錯能力顯著提高

研究團隊在發表于《自然》的論文中稱，“威洛”首次實現了低于表面碼閾值的量子糾錯。中國科學技術大學教授陸朝陽在接受《自然》采訪時稱其為“一項真正了不起的技術突破”。

那么，什么是量子糾錯？

盡管量子計算機有潛力實現超高速運算，但量子比特異常敏感，導致量子計算機極易出錯。而且，量子比特的數量越多，出錯的可能性越高。這種極高的易錯性，成為阻礙量子計算走向“星辰大海”的最大“攔路虎”。

一個解決方案是量子糾錯，即通過把多個物理量子比特編碼成一個邏輯量子比特，來降低出錯率。這一方法由美國科學家、量子計算先驅彼得·肖爾于1995年首次提出，此后科學家提出了許多不同的編碼方案。谷歌論文中提到的“表面碼”，就是一種常用的量子糾錯方法。

量子糾錯表面碼由俄裔美國物理學家、加州理工學院物理系教授阿列克謝·基塔耶夫提出，即用大約2d2（d為碼距）個物理量子比特形成二維量子比特陣列，從而編碼一個邏輯量子比特。表面碼就像一個特殊的“保護罩”，用來保護量子信息，使其不受干擾。碼距越大，保護的能力就越強，而需要的物理量子比特也就越多。例如，谷歌這次就用了105個物理量子比特，來編碼一個碼距為7的邏輯量子比特。

物理量子比特與邏輯量子比特之間的關系，如同磚塊與墻壁。要想讓邏輯量子比特的“墻壁”建得好，作為“磚塊”的物理量子比特就要少出錯。其出錯率必須低于一個特定閾值，否則只會“越糾越錯”。

而“威洛”實現了“越糾越對”。谷歌團隊的最新研究表明，“威洛”中邏輯量子比特的數量每增加一次，錯誤率就會降低一半。也就是說，碼距為7的錯誤率是碼距為5的一半；碼距為5的錯誤率是碼距為3的一半，以此類推。目前，研究團隊只展示到碼距為7的情況。

內文認為，這一成果標志著“威洛”實現了低于量子糾錯閾值運行，即在增加量子比特數量的同時，能夠降低錯誤率，而且是指數級降低錯誤率。這是構建足夠精確且實用的量子計算機的關鍵里程碑。在此基礎上，他們可以不斷增加量子比特的數量，制造越來越大、越來越復雜的量子計算機，并讓其在運行計算方面變得越來越好。

特定領域運算更快

凱利稱，“威洛”取得的第二大進展是在解決特定問題時運算速度更快。

隨機電路采樣（RCS）基準被廣泛用于量子計算領域，是當今量子計算機可完成的難度最高的經典基準。基于該基準，研究團隊讓“威洛”與世界上最強大的超級計算機之一Frontier（前沿）進行了對決。結果顯示，“威洛”不到5分鐘完成的計算，Frontier將需要1025年才能完成，這一時間是宇宙年齡138億年的700多萬億倍。

凱利認為，這一結果顯示出在某些應用中，經典計算和量子計算之間指數級的差距。

5分鐘與1025年，如此懸殊的數字對比引起了極大關注。有人不禁遐想，這是否意味著可以用“威洛”高效地挖比特幣、運行大模型？對此，陸朝陽在此前發布的視頻中解釋：“實際上，谷歌在這項研究中展示的算力并非通用算力，而是只針對RCS這一特定數學問題的專用算力。”

英國薩里大學計算機專家艾倫·伍德沃德在接受英國媒體采訪時也提醒，不要夸大“威洛”在單一測試中的表現，測試結果并不意味著“威洛”相比傳統計算機實現了全面提速。不過，他認為“威洛”在量子糾錯能力上的提升，是一個“重要的里程碑”。

金賢敏則認為，量子計算機的發展不僅需要提升硬件的糾錯能力，還需要結合當前含噪中等規模的量子硬件進行協同設計，充分發揮量子硬件的獨特優勢，并有針對性地開發創新的量子算法與計算范式，這也是推動量子硬件計算能力充分發揮的必要研究方向。