谷歌最強量子計算芯片Willow面世！性能吊打超級計算機

谷歌的量子計算實驗室剛剛實現了一個重要的里程碑，標記着我們距離量子計算的未來更近了一步。

周一，該公司透露，其新型量子計算芯片Willow能夠在不到五分鍾的時間內完成計算挑戰，而就算是此前世界上最快的超級計算機，也要花費1025年的時間，也就是10,000,000,000,000,000,000,000,000年，遠遠超過宇宙的年齡（約137億年）。這一令人瞠目的結果支持了「多重宇宙」理論，即量子計算可能在多個平行宇宙中進行。

除了更強大的性能之外，研究人員還找到了一種減少錯誤的方法，谷歌稱之為「量子計算中最大的挑戰之一」。量子計算使用的是量子比特，而不是代表1或0的比特，量子比特是一種可以同時存在於多種狀態的單位，例如1、0以及介於兩者之間的任何狀態。量子位很容易出錯，因為它們「傾向於與環境快速交換信息」。然而，谷歌的研究人員發現了一種通過向系統引入更多量子位來減少錯誤的方法，並且能夠實時糾正錯誤。

谷歌量子人工智能創始人Hartmut Neven在谷歌博客上寫道，「這一歷史性成就在該領域被稱為‘低於閾值’——能夠在擴大量子比特數量的同時減少錯誤。」Neven表示，Willow擁有105個量子位，「現在擁有一流的性能」。微軟、亞馬遜和IBM也正在開發自己的量子計算系統。

谷歌CEO發文宣佈好消息，馬斯克跟貼：哇！

Hartmut Neven的博客全文

今天，我很高興宣佈推出我們的最新量子芯片——Willow。這款芯片在多個指標上都展現了最先進的性能，帶來了兩項重大突破。

首先，Willow能夠在增加量子比特的同時以指數級的方式減少誤差。這解決了量子誤差校正領域近30年來的一個關鍵難題。

其次，Willow完成了一項標準基準測試計算，僅耗時不到五分鍾，而目前世界上最快的超級計算機完成同樣任務需要約1025年——這個時間遠遠超過了宇宙的已知年齡。

Willow芯片：量子計算的重要里程碑

Willow芯片是我們歷經10多年努力取得的一項重要成果。2012年，我創立了谷歌量子AI實驗室，目標是構建一臺能夠利用量子力學——即自然界的「操作系統」——的大規模實用量子計算機，為科學發現、實際應用開發以及解決社會重大挑戰提供助力。作為谷歌研究的一部分，我們的團隊制定了長期路線圖，而Willow顯著推動了我們向商業相關應用邁進的步伐。

量子誤差校正的突破性進展

誤差是量子計算面臨的最大挑戰之一，因為量子比特（量子計算的基本單元）容易與其環境快速交換信息，這會破壞完成計算所需的信息。傳統上，使用越多的量子比特，誤差越多，系統越可能退化為經典計算。

今天，我們在《自然》雜誌上發表的研究成果表明，隨着Willow中量子比特數量的增加，誤差率反而減少，系統的量子特性顯著增強。我們測試了從3×3、5×5到7×7的量子比特網格陣列。每次擴展時，通過最新的量子誤差校正技術，我們將誤差率降低了一半，成功實現了誤差率的指數級減少。這一歷史性成就是量子領域所稱的「低於閾值」，即在擴大量子比特數量的同時能夠減少誤差，這是自1995年Peter Shor提出量子誤差校正以來的長期挑戰。

此外，這項研究還包含其他科學「首次」。例如，這是超導量子系統中實時誤差校正的首次有力示例——對任何實用計算來説至關重要。如果無法快速糾正誤差，計算將因誤差中斷。更重要的是，我們實現了「超越盈虧平衡」的表現——量子比特陣列的壽命超過了單個物理量子比特，這是系統整體改進的無可辯駁的標誌。

Willow是迄今為止最有説服力的可擴展邏輯量子比特原型，表明構建實用的大型量子計算機確實可行。

超越經典計算：驚人的表現

在性能評估中，我們使用了隨機電路採樣（RCS）基準測試，這是目前量子計算領域最具挑戰性的測試之一。Willow以不到五分鍾的時間完成了任務，而目前最快的超級計算機需要約1025年才能完成。這一令人瞠目的結果支持了「多重宇宙」理論，即量子計算可能在多個平行宇宙中進行。

我們對Willow性能的評估基於保守假設，例如假設超級計算機具有無限的存儲訪問能力。儘管如此，隨着量子處理器以雙指數速度超越經典計算機，我們預計量子計算將在未來持續顯著領先。

性能的極致優化

Willow芯片在我們位於聖巴巴拉的尖端製造設施中生產，該設施專為量子芯片設計和製造而建。我們關注的不僅僅是量子比特的數量，而是它們的質量。Willow擁有105個量子比特，在量子誤差校正和隨機電路採樣等系統基準測試中表現最佳。

此外，Willow的T1時間（量子比特保持激發狀態的時間）接近100微秒，比上一代芯片提升了約5倍。這些性能指標為評估和比較量子硬件提供了重要依據。

未來展望

我們的下一個目標是展示一次「有用的、超越經典」的計算，即實現對現實應用具有意義且經典計算無法完成的量子算法。Willow將幫助我們邁向這一目標。

我們邀請研究人員、工程師和開發者加入我們的旅程。通過我們的開源軟件和教育資源，包括最新的Coursera課程，您可以學習量子誤差校正的基礎知識，共同開發解決未來問題的量子算法。

雖然人工智能和量子計算都是顛覆性技術，但我相信量子計算將為AI提供巨大的助力，特別是在數據採集、優化學習架構以及模擬量子效應關鍵系統方面。量子計算將成為解鎖新葯研發、更高效電池設計以及核聚變和新能源替代的關鍵工具。

Willow的推出標誌着我們距離量子計算的未來更近了一步。