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芯東西12月10日報(bào)道，今日凌晨，谷歌公布重大突破——其最新量子芯片Willow在基準(zhǔn)測試取得驚人成績，不到5分鐘完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

而如今最快的超級計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)，足足要花費(fèi)超過10^25年的時(shí)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(cuò)誤，破解了近30年來一直在研究的量子糾錯(cuò)挑戰(zhàn)。

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Alphabet及谷歌CEO皮查伊發(fā)文官宣這項(xiàng)重磅進(jìn)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(gè)量子集群，馬斯克則回應(yīng)“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(jì)算機(jī)的重要一步，它在藥物發(fā)現(xiàn)、聚變能、電池設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都有實(shí)際應(yīng)用。

“我認(rèn)為大多數(shù)人并沒有完全理解這一突破的重要性?！贝笮l(wèi)·馬庫斯發(fā)文強(qiáng)調(diào)說，“這一突破意味著后量子密碼學(xué)和加密技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展?！?/p>

在谷歌量子計(jì)算部門首席運(yùn)營官Charina Chou看來，這一成就意味著到21世紀(jì)末，量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)甚至最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)都無法實(shí)現(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(chǔ)計(jì)算任務(wù)也有類似scaling優(yōu)勢，因此量子計(jì)算對于收集傳統(tǒng)機(jī)器無法訪問的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練和優(yōu)化某些學(xué)習(xí)架構(gòu)以及對量子效應(yīng)很重要的系統(tǒng)進(jìn)行建模將是必不可少的。這包括幫助發(fā)現(xiàn)新藥、為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)更高效的電池，以及加速核聚變和新能源替代品的進(jìn)展。

許多未來改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序中在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上是行不通的，它們正等待量子計(jì)算來解鎖。

相關(guān)論文已發(fā)表于國際頂級期刊Nature。

論文地址：

https://www./articles/s41586-024-08449-y

01 .

Willow芯片：105個(gè)量子比特，

破解30年來重大挑戰(zhàn)

錯(cuò)誤是量子計(jì)算面臨的最大挑戰(zhàn)之一，因?yàn)榱孔颖忍赝鶗c周圍環(huán)境快速交換信息，因此很難保護(hù)完成計(jì)算所需的信息。通常，使用的量子比特越多，錯(cuò)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(jì)算機(jī)對于大多數(shù)商業(yè)或科學(xué)應(yīng)用來說太小且容易出錯(cuò)。而谷歌的實(shí)驗(yàn)表明，采用正確的糾錯(cuò)技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)在規(guī)模擴(kuò)大后能以越來越高的準(zhǔn)確度執(zhí)行計(jì)算，而且這種改進(jìn)的速度超過了一個(gè)關(guān)鍵臨界值。

“這是我們30年來的目標(biāo)?！惫雀杩偛垦芯靠茖W(xué)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(fù)責(zé)人、物理學(xué)家朱利安·凱利解釋，量子計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)執(zhí)行有用的計(jì)算，你需要量子信息，并且需要保護(hù)它免受環(huán)境和操作的影響。

為了實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)（沒有這種保護(hù)，量子計(jì)算就無法實(shí)現(xiàn)），理論家們從1995年開始開發(fā)巧妙的方案，將一個(gè)量子比特的信息分散到多個(gè)“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(shí)踐中發(fā)揮作用，就必須證明這種將信息分散到多個(gè)量子比特上的方法能夠有效降低錯(cuò)誤率。

過去幾年，IBM、AWS等多家公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體已經(jīng)證明，糾錯(cuò)可以略微提高準(zhǔn)確性 。谷歌在2023年初發(fā)布了一項(xiàng)成果，該成果使用了其Sycamore量子處理器中的49個(gè)量子比特，該處理器在超導(dǎo)電路中對每個(gè)物理量子比特進(jìn)行編碼。

谷歌新芯片名為Willow，是其更大、改進(jìn)的版本，有105個(gè)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(jì)算園區(qū)建造的制造實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的。

系統(tǒng)工程是設(shè)計(jì)和制造量子芯片的關(guān)鍵：芯片的所有組件都必須同時(shí)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和集成。如果任何組件滯后或兩個(gè)組件不能很好地協(xié)同工作，就會拖累系統(tǒng)性能。因此，最大化系統(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(zhǔn)。其報(bào)告的成就是整體評估量子計(jì)算系統(tǒng)，而不是一次只評估一個(gè)因素。

谷歌注重質(zhì)量，而不僅僅是數(shù)量。Willow在量子糾錯(cuò)和隨機(jī)電路采樣兩個(gè)系統(tǒng)基準(zhǔn)測試中均擁有一流的性能。此類算法基準(zhǔn)測試是衡量芯片整體性能的最佳方式。

其他更具體的性能指標(biāo)也很重要；例如，T1時(shí)間（測量量子比特可以保留激發(fā)的時(shí)間長短——關(guān)鍵的量子計(jì)算資源）現(xiàn)在接近100μs，相比谷歌上一代芯片相比，實(shí)現(xiàn)約5倍的改進(jìn)。

谷歌量子計(jì)算部門負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文說，這是量子計(jì)算機(jī)相對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢的最新體現(xiàn)。

02 .

將錯(cuò)誤率指數(shù)級降低，

性能遠(yuǎn)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(cuò)誤減少得就越多，系統(tǒng)就越量子化。

研究團(tuán)隊(duì)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(kuò)展到5x5，再到7x7——每一次，利用在量子糾錯(cuò)方面的最新進(jìn)展，他們都能夠?qū)㈠e(cuò)誤率降低一半。

換句話說，他們實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)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?cái)?shù)量的同時(shí)降低錯(cuò)誤。

必須證明低于臨界值才能證明在糾錯(cuò)方面取得了真正的進(jìn)展，自1995年P(guān)eter Shor引入量子糾錯(cuò)以來，這一直是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

這一結(jié)果還涉及其他科學(xué)“第一”。

例如，它也是超導(dǎo)量子系統(tǒng)實(shí)時(shí)糾錯(cuò)的首批引人注目的例子之一。這對于任何有用的計(jì)算都至關(guān)重要，因?yàn)槿绻荒茏銐蚩斓丶m正錯(cuò)誤，它們會在完成計(jì)算之前毀掉它。

其量子比特陣列比單個(gè)物理量子比特的壽命更長，這表明糾錯(cuò)正在改善整個(gè)系統(tǒng)。

作為首個(gè)低于臨界值的系統(tǒng)，這是迄今為止構(gòu)建的可擴(kuò)展邏輯量子比特最令人信服的原型。這有力地表明，實(shí)用的超大型量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以構(gòu)建。Willow使之更接近運(yùn)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上無法復(fù)制的實(shí)用、商業(yè)相關(guān)算法。

為了衡量Willow的性能，研究團(tuán)隊(duì)使用了其首創(chuàng)的隨機(jī)電路采樣 （RCS）基準(zhǔn)。

這是當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)上可以完成的最難的傳統(tǒng)基準(zhǔn)。你可以將其視為量子計(jì)算的切入點(diǎn)，它檢查量子計(jì)算機(jī)是否在做一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上無法完成的事情。

任何構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的團(tuán)隊(duì)都應(yīng)該首先檢查它是否可以在RCS上擊敗傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)；否則有充分的理由懷疑它能否處理更復(fù)雜的量子任務(wù)。

谷歌一直使用這個(gè)基準(zhǔn)來評估從一代芯片到下一代芯片的進(jìn)展。他們在2019年10月報(bào)告了Sycamore的結(jié)果，最近在2024年10月再次報(bào)告了其結(jié)果。

Willow在這項(xiàng)基準(zhǔn)測試中的表現(xiàn)令人驚嘆：不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了一項(xiàng)計(jì)算，而當(dāng)今最快的超級計(jì)算機(jī)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(gè)令人難以置信的數(shù)字超出了物理學(xué)中已知的時(shí)間尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡。

它證實(shí)了量子計(jì)算發(fā)生在許多平行宇宙中的觀點(diǎn)，這與量子物理學(xué)家戴維·多伊奇首次提出的我們生活在多元宇宙中的觀點(diǎn)一致。

如圖所示，Willow的最新結(jié)果是谷歌迄今為止最好的。

▲計(jì)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(shí)用的GPU并行實(shí)現(xiàn)（?）

谷歌對Willow如何超越世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)之一Frontier的評估是基于保守的假設(shè)。例如，假設(shè)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(gè)慷慨而不切實(shí)際的假設(shè)。

正如谷歌在2019年宣布首次超越經(jīng)典計(jì)算后發(fā)生的那樣，他們預(yù)計(jì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)將在這個(gè)基準(zhǔn)上繼續(xù)改進(jìn)，但迅速擴(kuò)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(jì)算機(jī)，并且隨著擴(kuò)大規(guī)模，其性能將繼續(xù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

03 .

結(jié)語：向商業(yè)應(yīng)用邁進(jìn)

2012年谷歌量子計(jì)算AI團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立時(shí)，愿景是構(gòu)建一臺實(shí)用的大型量子計(jì)算機(jī)，利用量子力學(xué)推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、開發(fā)有用的應(yīng)用程序和解決一些社會最大挑戰(zhàn)，從而造福社會。作為Google Research的一部分，其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了長期路線圖，而Willow正推動(dòng)他們朝著商業(yè)相關(guān)應(yīng)用的方向邁進(jìn)。

該領(lǐng)域的下一個(gè)挑戰(zhàn)是展示當(dāng)今量子芯片上第一個(gè)“有用的、超越經(jīng)典”的計(jì)算，該計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)。谷歌團(tuán)隊(duì)樂觀地認(rèn)為Willow一代芯片可以幫助他們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。迄今他們已經(jīng)進(jìn)行了兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)。一是運(yùn)行RCS基準(zhǔn)測試，衡量了與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能，但尚無實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用；二是對量子系統(tǒng)進(jìn)行了科學(xué)上有趣的模擬，這推動(dòng)了新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但仍在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的范圍內(nèi)。

其目標(biāo)是同時(shí)完成這兩件事，進(jìn)入傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法企及的算法領(lǐng)域，這些算法對現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)相關(guān)問題有用。

來源：Google，Nature