當地時間12月9日，谷歌公布其最新超導量子計算芯片Willow，在隨機電路采樣（RCS）基準測試中，Willow在5 分鐘內完成了當前最強大的超級計算機之一需要10 25 年（比宇宙年齡還長）才能完成的計算任務。谷歌首席執(zhí)行官桑達爾·皮查伊在社交平臺發(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，皮查伊還與馬斯克在評論區(qū)探討了利用星艦在太空構建量子集群的可能性。

同一計算任務，Willow與經典超算耗時對比（圖片截自谷歌視頻）

除了在RCS基準測試取得驚人的成績，Willow在量子糾錯、相干時間、系統(tǒng)工程等方面，也取得了突破性進展。

破解困擾量子糾錯領域近30年的關鍵挑戰(zhàn)

雖然有“10 25 年”這一具有沖擊力的測試數據，但在盤點Willow的高光亮點時，谷歌量子AI團隊首推在量子糾錯領域實現的進展，并稱其“解決了量子糾錯領域近 30 年來的關鍵挑戰(zhàn)”。

錯誤率一直是量子計算最大的挑戰(zhàn)之一。微軟Azure Quantum團隊表示，相比標準計算機CPU每十億一次 (EPB) 到每萬億一次 (EPT)的錯誤率，量子計算機的錯誤率要高得多。量子門中的噪聲、退相干和缺陷，都可能導致量子計算出錯。當前最先進的量子計算機的錯誤率通常在 1% —0.1% ，這意味著平均每 100 到 1000 次量子門操作中就有一次會導致錯誤。

針對這一問題，麻省理工學院應用數學教授彼得·肖爾（Peter Shor）在1995年提出量子糾錯理論，核心思想是將多個物理量子比特編碼為邏輯量子比特，基于兩者的映射關系，使邏輯比特能夠檢測并糾正某些錯誤。肖爾開發(fā)了第一個量子糾錯碼（肖爾碼），用九個量子比特編碼邏輯量子比特，以糾正比特翻轉和相位翻轉錯誤。

基于量子糾錯理念，各種類型的量子糾錯代碼被陸續(xù)提出。其中，表面碼被認為是工程實現價值較高的編碼方式。表面碼是一種拓撲糾錯碼，用二維量子比特點陣編碼邏輯量子比特，具有較高的糾錯閾值。北京量子信息科學研究院研究員金貽榮曾撰文指出，表面碼模塊化的設計方法使得拓撲碼具有良好的可擴展性，符合工程化實現的要求。表面碼只需要近鄰耦合，對錯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現價值的編碼方法之一，特別適合超導量子芯片。

而表面碼要在量子糾錯中發(fā)揮效用，就要使物理錯誤率低于表面碼的錯誤率臨界閾值。當低于閾值，邏輯錯誤率將隨著量子比特的增加呈指數級抑制。

谷歌Willow的關鍵進展就在于，實現了邏輯量子比特以低于量子糾錯閾值的錯誤率運行。這是“低于閾值”理論自上世紀90年代提出以來，量子計算產業(yè)長期追求的目標。在測試中，Willow 使用的量子比特越多，錯誤就越少，系統(tǒng)的量子化程度也就越高。谷歌團隊測試了從3x3到5x5再到7x7的物理量子比特陣列，錯誤率依次減半。這意味著谷歌實現了 “低于閾值”， 可以在擴大量子比特數量的同時降低錯誤率。 

“每次我們添加物理量子比特，并將表面碼的碼距（將一個代碼字更改為另一個代碼字的最小錯誤數）從 3 增加到5 再到7時，錯誤率都會減半。”谷歌硬件主管Julian Kelly表示。

隨著碼距增加，Willow的邏輯錯誤率降低。（圖片截自谷歌視頻）

同時，Willow“低于閾值”的系統(tǒng)還首次在超導量子系統(tǒng)實現實時糾錯，使錯誤能夠在對計算產生破壞之前就被糾正，超越了糾錯的盈虧平衡點，實現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。該系統(tǒng)為構建可擴展的邏輯量子比特提供了原型，也讓通過添加更多量子比特來構建更龐大復雜的量子芯片成為可能。

計算能力和工作時間顯著進步

除了在量子糾錯的顯著進展，Willow還在基礎測試中展現出更強的計算能力和相干時間。

憑借105 個量子比特，Willow在隨機電路采樣（RCS）基準測試中，以不到五分鐘的時間完成了一項計算，而當前最快的超級計算機之一需要 10 的 25 次方年才能完成同一任務——而這一時長已經超過了物理學中已知的時間尺度，也遠遠超過宇宙的年齡。

谷歌量子AI創(chuàng)始人哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）表示，Willow的RCS測試結果，為量子計算發(fā)生在多個平行宇宙的觀點提供了可信度。牛津大學教授大衛(wèi)·多伊奇相信量子計算機將為平行宇宙的存在提供證據。

RCS是谷歌量子AI團隊開創(chuàng)的基準測試。被乃文描述為目前量子計算機最難的經典基準測試，能夠評估量子計算機超越經典超級計算機的能力。在2019年10月的RCS測試中，谷歌量子處理器Sycamore大約需要 200 秒對量子電路的一個實例進行一百萬次采樣，當時最先進的經典超級計算機需要 10000 年才能完成同等任務。相比之下，Willow展示了更驚人的計算性能。

Willow取得突破的另一個重要性能指標是相干時間，也就是量子比特保持預期狀態(tài)的時間長度。肖爾曾指出，量子計算的主要困難之一是退相干破壞了量子計算機中包含的狀態(tài)疊加信息，從而使長時間的計算變得難以實現。

在測試中，Willow將量子相干時間提高了 5 倍，達到100微秒，是Sycamore 的5倍，且沒有犧牲系統(tǒng)的任何功能。

具體來看，Willow提升的相干時間是T1 時間。據國儀量子介紹，量子計算的相干時間通常關注兩個參數：T1時間和T2時間。T1時間決定了能在多長時間內區(qū)分量子比特的狀態(tài)1和狀態(tài)0。當一個量子比特被激發(fā)到高能級（激發(fā)態(tài)）時，類似經典比特從0到1。在T1時間內，量子比特會從高能態(tài)返回到低能態(tài)，即從1變回0。這意味著量子比特會失去攜帶的信息。

基于此，Willow能夠維持比Sycamore更長的計算“工作時間”，完成更多的計算。

Willow的性能躍升，也離不開制造技術的進步。Willow的生產是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工廠完成的。乃文表示，設計和制造量子芯片時，系統(tǒng)工程是關鍵。芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、量子比特重置和讀取，都必須經過精細的設計和集成。如果任何一個組件滯后，或者兩個組件難以協(xié)同，就會拖累整體的系統(tǒng)性能表現。

面向未來的發(fā)展，乃文表示量子計算芯片的下一個挑戰(zhàn)是在實際應用中展現 “有用、超越經典” 的計算。在Willow的RCS 基準測試中，并沒有運行已知的實際應用?！拔覀兊哪繕耸峭瑫r做到這兩點——踏入經典計算機無法企及且對現實世界、商業(yè)相關問題有用的算法領域。”乃文說。

責任編輯：張心怡