谷歌最强量子芯片出现！马斯克惊叹于解决30年来的重大问题，速度超过最快超算。

纠正功能表明，量子计算机的规模越大，其准确性就越高。

编译 | ZeR0

编辑 | 漠影

芯东西 12 月 10 据日报报道，谷歌今天凌晨发布了一项重大进展——其最新量子芯片 Willow 在基准测试中取得惊人的成绩，5 分钟完成一个标准计算。

而且现在最快的超级计算机完成了同样的任务，整个费用超过了10^25 年时间，比宇宙还要长！

Willow 在使用更多量子比特时，突破可以加倍减少错误，破解了近 30 多年来一直在研究的量子纠错挑战。

Alphabet 及谷歌 CEO 在皮查伊官宣这一重磅进展后，马斯克立即发表评论。 Wow "。两人还在评论区热聊，皮查伊建议有一天使用一天。 SpaceX 星舰在太空中建造了一个量子集群，马斯克回应说：“这很可能发生”。

连刚发布 Sora 大模型视频新产品 OpenAI 联合创始人兼 CEO 萨姆 · 阿尔特曼都抽空道贺：“大祝贺！”皮查伊回礼道：“多元宇宙未来的量子 AI 即将到来，也恭喜你 o1 发布！"

皮查伊说，Willow 在药物发现、聚变能、电池设计等领域，是构建有用量子计算机的重要一步。

“我认为大多数人还没有完全理解这个突破的重要性。”大卫 · “这一突破意味着后量子密码学和加密算法需要进一步发展，”马库斯发文强调。

首席运营官在谷歌量子计算部门。 Charina Chou 看起来，这种成就代表着它。 21 世纪末，科学发现，量子计算机能够实现甚至超级计算机都无法实现。。

谷歌量子 AI 哈特穆特，团队负责人 · 正如内文所说，量子算法是基本的。 scaling law，很多对 AI 基础计算任务也很重要，也有类似的 scaling 优点，所以量子计算对于收集传统机器无法打开的训练数据、训练和优化一些学习结构以及对量子效应非常重要的系统进行建模是必不可少的。它包括帮助发现药物，为电动汽车设计更有效的电池，以及加快核聚变和新能源替代品的发展。

许多未来改变游戏规则的应用程序在传统计算机上行不通，它们正在等待量子计算解锁。

国际顶级期刊已经发表了相关论文 Nature。

论文地址：

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

01.

Willow 芯片：105 量子比特，

破解 30 多年来的重大挑战

错误是量子计算面临的最大挑战之一。由于量子比特通常与周围环境快速交换信息，因此很难保护完成计算所需的信息。一般来说，量子比特的使用越多，错误就越多，系统就会变得像一个经典的系统。

目前，量子计算机对大多数商业或科学应用来说太小，容易出错。谷歌的实验表明，通过选择正确的纠错技术，量子计算机可以在规模扩大后以相对较高的精度进行计算，这种优化速度已经超过了一个关键的临界点。

"这是我们 30 多年来的目标。”谷歌总部研究科学家迈克尔 · 在宣布这一成就的新闻发布会上，纽曼说。

科学家朱利安，谷歌量子硬件部门领导 · 凯利解释说，量子计算机将信息编码为可表示。 0 或 1 状态，但是也可以采用多种状态 0 和 1 无限可能的组合。

但是这种量子信息状态非常脆弱，为了使量子计算机进行有用的计算，你需要量子信息，并且需要保护它免受环境和使用的影响。

为实现这一保护(没有这一保护，很难实现量子计算)，理论家们从 1995 2008年开始开发巧妙的方案，将一个量子比特的信息分散到多个“物理”量子比特上。由此产生的“逻辑量子比特”至少可以在理论上抵抗噪音。为了使这种称为量子偏差校准的技术在实践中发挥作用，有必要证明这种将信息分散到多个量子比特上的方法可以有效地降低错误率。

最近几年，IBM、AWS 许多公司和学术团体已经证明，纠错可以稍微提高准确性。 。谷歌在 2023 一项成果在年初公布，这项成果被它所利用。 Sycamore 在量子处理器中 49 在超导电路中，Cpu对每一个物理量子比特进行了编码。

谷歌新芯片的名字Willow，这是一个更大的改进版本，有105 个物理学量子比特。在谷歌于 2021 2008年在加州圣巴巴拉量子计算园建设的生产实验室开发。

系统工程是量子芯片设计和制造的关键:芯片的所有部件都必须同时精心设计和整合。如果任何部件落后或两个部件不能很好地协调工作，系统性能就会受到影响。因此，从芯片架构和制造到门的开发和校正，系统性能的最大化贯穿于整个过程。报告的成果是对量子计算系统的整体评价，而不是一次只评价一个因素。

谷歌重视质量，而不仅仅是数量。Willow 该系统基准测试具有一流的性能，包括量子纠错和随机电路取样。这种算法基准测试是检验芯片综合性能的最佳方法。

其它更具体的性能参数也很重要；例如，T1 时间(测量量子比特能保持激发时间-关键量子计算资源)现在接近100 µ s，与上一代谷歌芯片相比，达成约定5 倍的改进。

哈特穆特穆特，谷歌量子计算部门领导 · 这是量子计算机与传统计算机相比优势的最新体现。

02.

减少差错率指数级，

性能远远超过传统超算

谷歌在 Nature 上述研究结果表明，Willow 中间使用的量子比特越多， 错误减少得越多，系统就越量子化。

研究小组对物理量子比特阵型进行了越来越多的测试， 3x3 编码量子比特网格扩展到 5x5，再到 7x7 ——每次，利用最新的量子纠错进展，他们都能将错误率降低一半。

也就是说，他们已经完成了指数级的差错率下降。

这种历史性成就在业界被称为“”低于临界点（below threshold）"-可以在减少错误的同时增加量子比特的数量。

为了证明自己在纠错方面取得了真正的进展，必须证明低于临界点。 1995 年 Peter Shor 到目前为止，引入量子纠错已经成为一个巨大的挑战。

这个结果也涉及到其它科学的“第一”。

例如，它也是超导量子系统立即纠正错误的第一个引人注目的例子之一。这对任何有用的计算都非常重要，因为如果错误没有得到足够快的纠正，它们将在计算完成之前被摧毁。

与单个物理量子比特相比，量子比特阵型的寿命更长，这表明纠错正在改善整个系统。

作为第一个低于临界点的系统，这是迄今为止构建的最令人信服的可扩展逻辑量子比特的原型。这有效地表明，实用的超大量子计算机确实可以建造。Willow 使其更接近传统计算机无法复制的实用、商业相关算法。

为了衡量 Willow 研究小组利用了他们的首创性能。随机电路取样 （RCS）标准。

这是当今量子计算机上最难完成的传统标准。你可以把它当成量子计算的起点，检查量子计算机是否在做一些传统计算机无法完成的事情。

建立量子计算机的任何一个团队都应该首先检查它是否可以。 RCS 击败传统计算机；否则，有充分的理由怀疑它是否能处理更复杂的量子任务。

从第一代芯片到下一代芯片，谷歌一直使用这一标准来评价其进展。 2019 年 10 月报告了 Sycamore 结果，最近出现了 2024 年 10 每月再一次报告其结果。

Willow 这次基准测试的表现令人惊叹： 5 一个计算是在几分钟内完成的，而今天最快的超级计算机之一需要10^25 年才能完成。

若要写出来，则为：

00,000,000,000,000,000,000,000,000年。

这一令人难以置信的数字超出了物理学中已知的时间尺度，远远超过了宇宙的年龄。

在很多平行宇宙中，它验证了量子计算的发生，这与量子物理学家戴维一样。 · 我们生活在多元宇宙中的观点是多伊奇首次提出的。

如图所示，Willow 最近的结果是谷歌迄今为止最好的。

▲计算成本受可用内存影响很大，所以谷歌的估计考虑了一系列情况，从内存的无限理想情况来看。（▲）到更实用的 GPU 并行实现（⬤）

谷歌对 Willow 如何超越世界上最强大的经典超级计算机之一？ Frontier 评价是基于保守假设。例如，假设你可以在没有任何带宽费用的情况下完全浏览二次存储(即硬盘) Frontier 这是一种慷慨而不切实际的假设。

如同谷歌在 2019 在2008年宣布超越经典计算之后，他们估计经典计算机将继续改进这一标准，但是差距迅速扩大，随着规模的扩大，量子处理器正以双倍指数的速度超越经典计算机，其性能将远远超过经典计算机。。

03.

结论：向商业应用迈进

2012 年度谷歌量子计算 AI 团队成立时，愿景是建立一台实用的大型量子计算机，利用量子力学促进科学发现，开发有用的应用，解决一些社会最大的挑战，从而造福社会。作为一个 Google Research 其中一部分，其团队已制定了长期路线图， Willow 它们正朝着商业相关应用的方向前进。

这一领域的下一个挑战是展示当今量子芯片中第一个“有用、超越经典”的计算，这与实际应用有关。谷歌队乐观地认为 Willow 一代芯片可以帮助他们实现这个目标。到目前为止，他们已经进行了两种不同类型的实验。一是运行 RCS 基准测试测量了与传统计算机的性能，但没有实际的商业应用；二是对量子系统进行了科学有趣的模拟，促进了新的科学发现，但仍在传统计算机范围内。

其目标是同时完成这两件事，进入传统计算机无法企及的算法领域。这些算法对现实世界中的商业问题有用。。

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