當?shù)貢r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(nèi)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(wù)。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(gòu)建量子集群的可能性。

同一計算任務(wù)，Willow與經(jīng)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(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試數(shù)據(jù)，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(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的進展，并稱其“解決了量子糾錯領(lǐng)域近 30 年來的關(guān)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(yīng)用數(shù)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(guān)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(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shè)計方法使得拓撲碼具有良好的可擴展性，符合工程化實現(xiàn)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(xiàn)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?shù)陀陂撝担壿嬪e誤率將隨著量子比特的增加呈指數(shù)級抑制。

谷歌Willow的關(guān)鍵進展就在于，實現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)了 “低于閾值”， 可以在擴大量子比特數(shù)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(shù)）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(xiàn)實時糾錯，使錯誤能夠在對計算產(chǎn)生破壞之前就被糾正，超越了糾錯的盈虧平衡點，實現(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。該系統(tǒng)為構(gòu)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(gòu)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(chǔ)測試中展現(xiàn)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(wù)——而這一時長已經(jīng)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(jié)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(jù)。

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(jīng)典基準測試，能夠評估量子計算機超越經(jīng)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(jīng)典超級計算機需要 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(yù)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(xiàn)。

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(jù)國儀量子介紹，量子計算的相干時間通常關(guān)注兩個參數(shù)：T1時間和T2時間。T1時間決定了能在多長時間內(nèi)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(jīng)典比特從0到1。在T1時間內(nèi)，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(shù)的進步。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)計和制造量子芯片時，系統(tǒng)工程是關(guān)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(jīng)過精細的設(shè)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(xiàn)。

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(yīng)用中展現(xiàn) “有用、超越經(jīng)典” 的計算。在Willow的RCS 基準測試中，并沒有運行已知的實際應(yīng)用?！拔覀兊哪繕耸峭瑫r做到這兩點——踏入經(jīng)典計算機無法企及且對現(xiàn)實世界、商業(yè)相關(guān)問題有用的算法領(lǐng)域。”乃文說。

責任編輯：張心怡