谷歌量子芯片的突破點(diǎn)在哪兒

前不久，美國谷歌公司發(fā)布最新量子芯片“威洛”（Willow），稱其在計(jì)算速度和糾錯(cuò)能力方面取得“兩個(gè)重大進(jìn)步”，不到5分鐘就完成了當(dāng)今領(lǐng)先的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1025年才能完成的任務(wù)，為研制實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

消息一出，立即引起廣泛關(guān)注。美國太空探索技術(shù)公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克和開放人工智能研究中心（OpenAI）首席執(zhí)行官薩姆·奧爾特曼，也為“威洛”的面世點(diǎn)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(shí)學(xué)”？筆者近日采訪相關(guān)專家，對(duì)量子計(jì)算一探究竟。

大規(guī)模并行計(jì)算有優(yōu)勢(shì)

“量子芯片是利用量子糾纏和量子疊加等量子力學(xué)原理進(jìn)行信息處理的核心部件?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心（IQIT）主任金賢敏對(duì)筆者解釋道，“傳統(tǒng)芯片基于經(jīng)典物理學(xué)原理，基本信息處理單位為比特，每個(gè)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(gè)量子比特可以為0或1，或兩者的疊加態(tài)。這種疊加態(tài)的存在使量子芯片能夠在同一時(shí)間處理多種數(shù)據(jù)，從而比傳統(tǒng)芯片更快、更高效地解決某些復(fù)雜問題?！?/p>

根據(jù)量子力學(xué)原理，量子糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)粒子在相互作用后，它們的狀態(tài)變得緊密相關(guān)，以至于一個(gè)粒子的狀態(tài)變化會(huì)瞬間影響到與之糾纏的其他粒子的狀態(tài)，無論這些粒子相距多遠(yuǎn)。金賢敏介紹：“量子糾纏使量子芯片在處理信息時(shí)具有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和協(xié)同性。量子疊加和量子糾纏使量子芯片在處理大規(guī)模并行計(jì)算時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的計(jì)算速度和更強(qiáng)的信息安全性?！?/p>

“威洛”由谷歌量子人工智能（AI）部門研發(fā)，內(nèi)含105個(gè)物理超導(dǎo)量子比特。該部門負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文在公司官網(wǎng)撰文稱，“威洛”是部門十幾年辛勤研發(fā)的結(jié)晶，是公司目前最強(qiáng)大的超導(dǎo)量子芯片。

內(nèi)文稱，在設(shè)計(jì)和制造量子芯片時(shí)，系統(tǒng)工程是關(guān)鍵。為達(dá)到最佳性能，他們對(duì)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(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)和集成。此外，他們還集成了一個(gè)持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，其能實(shí)時(shí)檢測(cè)“威洛”內(nèi)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的干擾，并自動(dòng)干預(yù)，以維持計(jì)算過程的完整性和精確性。

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

糾錯(cuò)能力顯著提高

研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)表于《自然》的論文中稱，“威洛”首次實(shí)現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽在接受《自然》采訪時(shí)稱其為“一項(xiàng)真正了不起的技術(shù)突破”。

那么，什么是量子糾錯(cuò)？

盡管量子計(jì)算機(jī)有潛力實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)算，但量子比特異常敏感，導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)極易出錯(cuò)。而且，量子比特的數(shù)量越多，出錯(cuò)的可能性越高。這種極高的易錯(cuò)性，成為阻礙量子計(jì)算走向“星辰大?！钡淖畲蟆皵r路虎”。

一個(gè)解決方案是量子糾錯(cuò)，即通過把多個(gè)物理量子比特編碼成一個(gè)邏輯量子比特，來降低出錯(cuò)率。這一方法由美國科學(xué)家、量子計(jì)算先驅(qū)彼得·肖爾于1995年首次提出，此后科學(xué)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(cuò)方法。

量子糾錯(cuò)表面碼由俄裔美國物理學(xué)家、加州理工學(xué)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(gè)物理量子比特形成二維量子比特陣列，從而編碼一個(gè)邏輯量子比特。表面碼就像一個(gè)特殊的“保護(hù)罩”，用來保護(hù)量子信息，使其不受干擾。碼距越大，保護(hù)的能力就越強(qiáng)，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(gè)物理量子比特，來編碼一個(gè)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(guān)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(cuò)。其出錯(cuò)率必須低于一個(gè)特定閾值，否則只會(huì)“越糾越錯(cuò)”。

而“威洛”實(shí)現(xiàn)了“越糾越對(duì)”。谷歌團(tuán)隊(duì)的最新研究表明，“威洛”中邏輯量子比特的數(shù)量每增加一次，錯(cuò)誤率就會(huì)降低一半。也就是說，碼距為7的錯(cuò)誤率是碼距為5的一半；碼距為5的錯(cuò)誤率是碼距為3的一半，以此類推。目前，研究團(tuán)隊(duì)只展示到碼距為7的情況。

內(nèi)文認(rèn)為，這一成果標(biāo)志著“威洛”實(shí)現(xiàn)了低于量子糾錯(cuò)閾值運(yùn)行，即在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)，能夠降低錯(cuò)誤率，而且是指數(shù)級(jí)降低錯(cuò)誤率。這是構(gòu)建足夠精確且實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵里程碑。在此基礎(chǔ)上，他們可以不斷增加量子比特的數(shù)量，制造越來越大、越來越復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)，并讓其在運(yùn)行計(jì)算方面變得越來越好。

特定領(lǐng)域運(yùn)算更快

凱利稱，“威洛”取得的第二大進(jìn)展是在解決特定問題時(shí)運(yùn)算速度更快。

隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)被廣泛用于量子計(jì)算領(lǐng)域，是當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)可完成的難度最高的經(jīng)典基準(zhǔn)?；谠摶鶞?zhǔn)，研究團(tuán)隊(duì)讓“威洛”與世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一Frontier（前沿）進(jìn)行了對(duì)決。結(jié)果顯示，“威洛”不到5分鐘完成的計(jì)算，F(xiàn)rontier將需要1025年才能完成，這一時(shí)間是宇宙年齡138億年的700多萬億倍。

凱利認(rèn)為，這一結(jié)果顯示出在某些應(yīng)用中，經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算之間指數(shù)級(jí)的差距。

5分鐘與1025年，如此懸殊的數(shù)字對(duì)比引起了極大關(guān)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(yùn)行大模型？對(duì)此，陸朝陽在此前發(fā)布的視頻中解釋：“實(shí)際上，谷歌在這項(xiàng)研究中展示的算力并非通用算力，而是只針對(duì)RCS這一特定數(shù)學(xué)問題的專用算力。”

英國薩里大學(xué)計(jì)算機(jī)專家艾倫·伍德沃德在接受英國媒體采訪時(shí)也提醒，不要夸大“威洛”在單一測(cè)試中的表現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果并不意味著“威洛”相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了全面提速。不過，他認(rèn)為“威洛”在量子糾錯(cuò)能力上的提升，是一個(gè)“重要的里程碑”。

金賢敏則認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展不僅需要提升硬件的糾錯(cuò)能力，還需要結(jié)合當(dāng)前含噪中等規(guī)模的量子硬件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮量子硬件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并有針對(duì)性地開發(fā)創(chuàng)新的量子算法與計(jì)算范式，這也是推動(dòng)量子硬件計(jì)算能力充分發(fā)揮的必要研究方向。