引言
【算力豹导读】2019年，谷歌在权威科学期刊《Nature》上震撼发布了一项量子计算的里程碑式突破。
彼时，即便是全球顶尖的超级计算机，也需耗时万年方能完成的复杂实验，谷歌研发的量子计算机却以惊人的速度，仅用时3分20秒便轻松达成。谷歌的首席执行官桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）生动地将这一壮举比作“莱特兄弟那划时代的历史性首飞”，彰显其非凡意义。
转眼至2024年12月10日，谷歌官方网站再次传来振奋人心的消息，其量子技术领域取得了新的飞跃：
最新研发的量子芯片Willow，在短短不到5分钟的时间内，便圆满完成了一项基准测试。这项测试的难度之大，即便是当下速度最快的超级计算机，也需耗时“10的25次方”年才能勉强完成，这一时间跨度远远超越了宇宙的悠久岁月，令人叹为观止。
谷歌表示，随着团队使用更多的量子位进行扩展，Willow可以成倍地减少错误，解决了该领域近 30 年来一直在研究的量子纠错的关键挑战，为实用的大规模量子计算机铺平了道路。
谷歌这一研究引起了科技圈的关注，在X上皮查伊发文官宣了这项进展后，马斯克在评论区回复“Wow”表示赞叹，皮查伊随即表示有朝一日应该用SpaceX的星舰在太空里建个量子集群，马斯克则回应“这很可能会发生”。
5分钟完成10亿亿亿年计算
这一成果由谷歌CEO皮猜本人亲自在𝕏官宣，并已在Nature上加急发表。
带您了解谷歌量子计算芯片Willow
01
什么是量子计算？
量子计算是计算机科学的一个领域，利用量子力学来解决传统计算机无法解决的问题。与使用比特（bits）表示信息为0或1的传统计算机不同，量子计算机依赖于量子比特（qubits）。
传统比特只能持有单一的值（0或1），量子比特则可以通过一种叫做叠加（superposition）的量子现象，同时表示0和1。此外量子比特还可以表现出纠缠现象，使得两个量子比特能够同时表示00、01、10和11等组合。这些独特的特性使得量子计算机能够处理即使是最先进的超级计算机也无法解决的问题。
02
什么是谷歌Willow芯片？
谷歌Willow芯片是谷歌量子计算团队开发的一款先进的量子处理器。这款芯片在量子计算领域取得了显著的进展，特别是在量子纠错和可扩展性方面。
量子比特数量：Willow芯片包含了大量的物理量子比特，这些量子比特是量子计算的基础单元。通过先进的量子纠错技术，Willow芯片能够在这些物理量子比特的基础上构建出逻辑量子比特，这些逻辑量子比特比物理量子比特更稳定、更可靠。
量子纠错技术：Willow芯片采用了先进的量子纠错技术，如表面码等。这些技术通过分组协同工作，将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，从而提高了量子计算的准确性和可靠性。此外，Willow芯片还实现了实时纠错，能够在计算过程中及时纠正错误，确保计算的顺利进行。
可扩展性：Willow芯片在可扩展性方面取得了重要突破。通过优化芯片设计和量子纠错算法，谷歌团队成功地将量子比特的数量和性能提升到了一个新的水平。这为未来的量子计算机的发展奠定了坚实的基础。
03
谷歌Willow芯片的工作原理
一、量子计算原理
量子比特（Qubits）：与传统计算机中的比特（bits）不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态，这种特性使得量子计算机能够同时处理大量信息。Willow芯片拥有105个物理量子比特，这些量子比特是芯片进行量子计算的基础。
量子纠缠（Quantum Entanglement）：量子纠缠是量子计算中的一种重要现象，当两个或多个量子比特处于纠缠态时，它们的状态是相互关联的，无论它们之间的距离有多远。这种特性使得量子计算机能够在不同量子比特之间传递信息，从而加速计算过程。
量子并行性（Quantum Parallelism）：量子计算机能够同时执行多个计算任务，这种特性被称为量子并行性。Willow芯片利用量子并行性，能够在短时间内完成复杂的计算任务。
二、量子纠错技术
表面码（Surface Codes）：Willow芯片采用了表面码进行量子纠错。表面码是一种将量子比特分组协同工作的技术，每个分组形成一个d×d的量子比特网格，称为表面码。随着晶格的增大，系统能容忍的错误也更多，理论上逻辑量子比特的保护性和性能都会提高。
错误率降低：Willow芯片通过扩大物理量子比特的阵列，并利用最新的量子纠错技术，实现了错误率的指数级降低。从3×3的编码量子比特网格到5×5、再到7×7的网格，每一次扩展都带来了错误率的大幅下降。
逻辑量子比特性能提升：随着表面码规模的扩展，逻辑量子比特的性能也随之提升。Willow芯片上的7×7逻辑量子比特的寿命是其最佳物理量子比特的2倍，同时也是谷歌之前在Sycamore上表面码的20倍。
三、超导量子系统
超导材料：Willow芯片采用了超导材料作为量子比特的载体。超导材料在低温下具有零电阻的特性，这使得量子比特能够保持稳定的状态，减少计算过程中的误差。
实时纠错：Willow芯片是首个在超导量子系统中进行实时误差修正的成功案例。通过实时纠错技术，Willow芯片能够在计算过程中及时纠正错误，确保计算的准确性。
04
应用前景
Willow芯片的成功开发为量子计算的应用开辟了广阔的前景。量子计算机在材料科学、药物研发、金融建模等领域具有巨大的潜力，能够解决传统计算机无法处理的问题。随着量子计算技术的不断发展，Willow芯片有望成为推动这些领域创新的重要工具。
两项重大技术突破
第一，Willow解决了30多年来一个关键难题，可以在使用更多量子比特进行扩展时指数级地减少错误。
自1995年Peter Shor提出量子纠错理论以来，科学家们一直在努力寻找有效的方法来纠正量子计算中的错误。在量子计算中，量子比特容易受到环境噪声的影响，导致信息丢失或状态改变从而产生计算错误，会严重影响量子计算机执行复杂计算任务的能力。所以，如何有效地进行量子纠错成为了实现大规模量子计算的关键难题。
而Willow可以在增加量子比特数量的同时有效地控制并减少错误，并实现了“低于阈值”的表现，这意味着它可以驱动错误率降到足够低的程度，以至于即使增加量子比特的数量，也能保持良好的纠错效果。
第二，Willow在量子计算方面实现宇宙级突破。在RCS标准测试基准中，Willow能在5分钟内完成计算测试，而当今最快的计算机来进行测试都最少需要10个septillion年。也就是10^25年，大约100亿亿年，其计算能力只能用恐怖来形容。
就连OpenAI的首席执行官Sam Altman都特意点赞转发大大的祝贺，可见Willow的成果有多大。
写在最后
谷歌量子芯片Willow的发布标志着量子计算领域的一个重要里程碑。它在量子纠错技术上的突破和超越超级计算机的性能展示了量子计算的巨大潜力和商业应用的可能性。市场对此反应热烈，谷歌股价应声上涨，同时激发了整个量子信息产业的发展热情。业界专家和科技大佬如马斯克也对其成就表示惊叹和认可。展望未来，Willow芯片有望在多个实际应用领域发挥重要作用，并推动高级AI的发展。（文/宋雨涵）
