當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月9日，谷歌公布其最新超導(dǎo)量子計(jì)算芯片Willow，在隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試中，Willow在5 分鐘內(nèi)完成了當(dāng)前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一需要10 25 年（比宇宙年齡還長(zhǎng)）才能完成的計(jì)算任務(wù)。谷歌首席執(zhí)行官桑達(dá)爾·皮查伊在社交平臺(tái)發(fā)布這一消息后，收到了 SpaceX創(chuàng)始人馬斯克、OpenAI首席執(zhí)行官奧特曼的留言互動(dòng)，皮查伊還與馬斯克在評(píng)論區(qū)探討了利用星艦在太空構(gòu)建量子集群的可能性。

同一計(jì)算任務(wù)，Willow與經(jīng)典超算耗時(shí)對(duì)比（圖片截自谷歌視頻）

除了在RCS基準(zhǔn)測(cè)試取得驚人的成績(jī)，Willow在量子糾錯(cuò)、相干時(shí)間、系統(tǒng)工程等方面，也取得了突破性進(jìn)展。

破解困擾量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近30年的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

雖然有“10 25 年”這一具有沖擊力的測(cè)試數(shù)據(jù)，但在盤(pán)點(diǎn)Willow的高光亮點(diǎn)時(shí)，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)首推在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的進(jìn)展，并稱(chēng)其“解決了量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近 30 年來(lái)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)”。

錯(cuò)誤率一直是量子計(jì)算最大的挑戰(zhàn)之一。微軟Azure Quantum團(tuán)隊(duì)表示，相比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)CPU每十億一次 (EPB) 到每萬(wàn)億一次 (EPT)的錯(cuò)誤率，量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率要高得多。量子門(mén)中的噪聲、退相干和缺陷，都可能導(dǎo)致量子計(jì)算出錯(cuò)。當(dāng)前最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率通常在 1% —0.1% ，這意味著平均每 100 到 1000 次量子門(mén)操作中就有一次會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

針對(duì)這一問(wèn)題，麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)教授彼得·肖爾（Peter Shor）在1995年提出量子糾錯(cuò)理論，核心思想是將多個(gè)物理量子比特編碼為邏輯量子比特，基于兩者的映射關(guān)系，使邏輯比特能夠檢測(cè)并糾正某些錯(cuò)誤。肖爾開(kāi)發(fā)了第一個(gè)量子糾錯(cuò)碼（肖爾碼），用九個(gè)量子比特編碼邏輯量子比特，以糾正比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

基于量子糾錯(cuò)理念，各種類(lèi)型的量子糾錯(cuò)代碼被陸續(xù)提出。其中，表面碼被認(rèn)為是工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值較高的編碼方式。表面碼是一種拓?fù)浼m錯(cuò)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(cuò)閾值。北京量子信息科學(xué)研究院研究員金貽榮曾撰文指出，表面碼模塊化的設(shè)計(jì)方法使得拓?fù)浯a具有良好的可擴(kuò)展性，符合工程化實(shí)現(xiàn)的要求。表面碼只需要近鄰耦合，對(duì)錯(cuò)誤率的閾值要求比較低，盡管其編碼效率不高，但已成為目前最具工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值的編碼方法之一，特別適合超導(dǎo)量子芯片。

而表面碼要在量子糾錯(cuò)中發(fā)揮效用，就要使物理錯(cuò)誤率低于表面碼的錯(cuò)誤率臨界閾值。當(dāng)?shù)陀陂撝?，邏輯錯(cuò)誤率將隨著量子比特的增加呈指數(shù)級(jí)抑制。

谷歌Willow的關(guān)鍵進(jìn)展就在于，實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特以低于量子糾錯(cuò)閾值的錯(cuò)誤率運(yùn)行。這是“低于閾值”理論自上世紀(jì)90年代提出以來(lái)，量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。在測(cè)試中，Willow 使用的量子比特越多，錯(cuò)誤就越少，系統(tǒng)的量子化程度也就越高。谷歌團(tuán)隊(duì)測(cè)試了從3x3到5x5再到7x7的物理量子比特陣列，錯(cuò)誤率依次減半。這意味著谷歌實(shí)現(xiàn)了 “低于閾值”， 可以在擴(kuò)大量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)降低錯(cuò)誤率。 

“每次我們添加物理量子比特，并將表面碼的碼距（將一個(gè)代碼字更改為另一個(gè)代碼字的最小錯(cuò)誤數(shù)）從 3 增加到5 再到7時(shí)，錯(cuò)誤率都會(huì)減半?！惫雀栌布鞴躂ulian Kelly表示。

隨著碼距增加，Willow的邏輯錯(cuò)誤率降低。（圖片截自谷歌視頻）

同時(shí)，Willow“低于閾值”的系統(tǒng)還首次在超導(dǎo)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾錯(cuò)，使錯(cuò)誤能夠在對(duì)計(jì)算產(chǎn)生破壞之前就被糾正，超越了糾錯(cuò)的盈虧平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特的壽命比參與編碼的所有物理量子比特的壽命都長(zhǎng)。該系統(tǒng)為構(gòu)建可擴(kuò)展的邏輯量子比特提供了原型，也讓通過(guò)添加更多量子比特來(lái)構(gòu)建更龐大復(fù)雜的量子芯片成為可能。

計(jì)算能力和工作時(shí)間顯著進(jìn)步

除了在量子糾錯(cuò)的顯著進(jìn)展，Willow還在基礎(chǔ)測(cè)試中展現(xiàn)出更強(qiáng)的計(jì)算能力和相干時(shí)間。

憑借105 個(gè)量子比特，Willow在隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試中，以不到五分鐘的時(shí)間完成了一項(xiàng)計(jì)算，而當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一需要 10 的 25 次方年才能完成同一任務(wù)——而這一時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了物理學(xué)中已知的時(shí)間尺度，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙的年齡。

谷歌量子AI創(chuàng)始人哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）表示，Willow的RCS測(cè)試結(jié)果，為量子計(jì)算發(fā)生在多個(gè)平行宇宙的觀點(diǎn)提供了可信度。牛津大學(xué)教授大衛(wèi)·多伊奇相信量子計(jì)算機(jī)將為平行宇宙的存在提供證據(jù)。

RCS是谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的基準(zhǔn)測(cè)試。被乃文描述為目前量子計(jì)算機(jī)最難的經(jīng)典基準(zhǔn)測(cè)試，能夠評(píng)估量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。在2019年10月的RCS測(cè)試中，谷歌量子處理器Sycamore大約需要 200 秒對(duì)量子電路的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行一百萬(wàn)次采樣，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)需要 10000 年才能完成同等任務(wù)。相比之下，Willow展示了更驚人的計(jì)算性能。

Willow取得突破的另一個(gè)重要性能指標(biāo)是相干時(shí)間，也就是量子比特保持預(yù)期狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度。肖爾曾指出，量子計(jì)算的主要困難之一是退相干破壞了量子計(jì)算機(jī)中包含的狀態(tài)疊加信息，從而使長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算變得難以實(shí)現(xiàn)。

在測(cè)試中，Willow將量子相干時(shí)間提高了 5 倍，達(dá)到100微秒，是Sycamore 的5倍，且沒(méi)有犧牲系統(tǒng)的任何功能。

具體來(lái)看，Willow提升的相干時(shí)間是T1 時(shí)間。據(jù)國(guó)儀量子介紹，量子計(jì)算的相干時(shí)間通常關(guān)注兩個(gè)參數(shù)：T1時(shí)間和T2時(shí)間。T1時(shí)間決定了能在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)區(qū)分量子比特的狀態(tài)1和狀態(tài)0。當(dāng)一個(gè)量子比特被激發(fā)到高能級(jí)（激發(fā)態(tài)）時(shí)，類(lèi)似經(jīng)典比特從0到1。在T1時(shí)間內(nèi)，量子比特會(huì)從高能態(tài)返回到低能態(tài)，即從1變回0。這意味著量子比特會(huì)失去攜帶的信息。

基于此，Willow能夠維持比Sycamore更長(zhǎng)的計(jì)算“工作時(shí)間”，完成更多的計(jì)算。

Willow的性能躍升，也離不開(kāi)制造技術(shù)的進(jìn)步。Willow的生產(chǎn)是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工廠完成的。乃文表示，設(shè)計(jì)和制造量子芯片時(shí)，系統(tǒng)工程是關(guān)鍵。芯片的所有組件，如單量子比特門(mén)和雙量子比特門(mén)、量子比特重置和讀取，都必須經(jīng)過(guò)精細(xì)的設(shè)計(jì)和集成。如果任何一個(gè)組件滯后，或者兩個(gè)組件難以協(xié)同，就會(huì)拖累整體的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

面向未來(lái)的發(fā)展，乃文表示量子計(jì)算芯片的下一個(gè)挑戰(zhàn)是在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn) “有用、超越經(jīng)典” 的計(jì)算。在Willow的RCS 基準(zhǔn)測(cè)試中，并沒(méi)有運(yùn)行已知的實(shí)際應(yīng)用?！拔覀兊哪繕?biāo)是同時(shí)做到這兩點(diǎn)——踏入經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法企及且對(duì)現(xiàn)實(shí)世界、商業(yè)相關(guān)問(wèn)題有用的算法領(lǐng)域?！蹦宋恼f(shuō)。

責(zé)任編輯：張心怡