谷歌量子芯片兩大突破：5分鐘頂最強超算102?年，解決了近30年的難題！專家稱量子計算分四個階段，目前正處于第三階段前夕

每經記者 蔡鼎    每經實習記者 岳楚鵬    每經編輯 蘭素英    

當全球都在熱議人工智能的無限可能時，谷歌悄然在量子計算領域取得了一次里程碑式的突破。當地時間12月9日，谷歌CEO桑達爾·皮查伊在社交媒體X上宣布，其最新量子芯片Willow實現了“指數級降低錯誤率”的關鍵進展，成功破解了這一領域困擾研究者30多年的難題。

圖片來源：X平臺

據悉，這款芯片能在短短5分鐘內完成一項超復雜計算，而這項任務即便是當今最快的超級計算機，也需要耗時超過宇宙存在時間的長度才能完成。

谷歌這一成果不僅震撼了科技界，還獲得了OpenAI CEO奧爾特曼和特斯拉CEO埃隆·馬斯克等一眾大佬的點贊。馬斯克在皮查伊的動態下回復說：“哇，”皮查伊隨即幽默回應稱：“我們或許該用星際飛船在太空中打造一個量子集群。”

圖片來源：X平臺

這一突破性成就，徹底引發了關于量子計算未來的熱議。究竟什么是量子計算？為何它被視為顛覆傳統計算的革命性技術？最重要的是，量子計算距離真正改變生活還有多遠？

中國科學技術大學（簡稱“中科大”）量子領域研究人員張浩霖對《每日經濟新聞》記者表示，從原理上講，量子計算的物理性質就決定了它一定會比傳統計算強。“中科大的陸朝陽教授曾經提出過量子計算的幾個階段：第一個階段是在實驗室里證明它的可行性，第二個階段是證明它比傳統計算具有優越性，第三階段是解決特定的實際問題，第四個階段才是通用量子計算機。目前我們完成了前兩個階段，正處于第三階段的前夕。”

谷歌突破性量子芯片：5分鐘頂目前最強超算10²?年 

當地時間12月9日，谷歌發布了最新的量子計算芯片Willow，稱其在糾錯和計算能力方面具有突破性進展。

為了測試Willow芯片的性能，谷歌采用了“隨機電路采樣”（RCS）這個在量子計算界被視為“試金石”的難題，來檢驗量子計算機是否能完成傳統計算機幾乎無法實現的任務。

結果非常驚人：Willow芯片在不到五分鐘的時間完成了當今領先的超級計算機需要一千萬億億億年（10的25次方，或10²?）才能完成的計算，“這一令人難以置信的數字超出了物理學中已知的時間尺度，遠遠超過了宇宙年齡（約138億年）”。

圖片來源：谷歌量子AI截圖

這相對2019年的谷歌量子計算也是一個巨大的跨越。當時谷歌宣布其量子處理器Sycamore可以在三分鐘內解決一個方程式，而超級計算機則需要一萬年。

此外，谷歌量子AI創始人兼負責人Hartmut Neven引用了大衛·多伊奇在其1997年出版的《現實的結構》一書中詳述的預測，他說：“它（這次實驗）證實了量子計算發生在許多平行宇宙中的觀點，這與我們生活在多元宇宙中的觀點一致。”

Neven最初開始創立谷歌量子AI時，他的同事很不解，有時會問他，為什么離開蓬勃發展的AI領域，轉而專注于量子計算。他的回答是，這兩項技術都將被證明是我們這個時代最具變革性的技術，但先進的AI將從量子計算中受益匪淺。 

谷歌并不是唯一一家致力于量子計算的科技巨頭。Nvidia、微軟和IBM也在研究這項技術。除此之外還有大量的初創企業和大學的研究人員也投身這一領域。

解決了近30年的挑戰

到底什么是量子計算呢？為何它被視為顛覆傳統計算的革命性技術？

中科大量子領域研究人員張浩霖對每經記者表示，從原理上講，量子計算的物理性質就決定了它一定會比傳統計算強。

在傳統計算中，信息以比特的形式存儲，但比特的儲存信息是有限的，因為比特的值可以是0或1。而量子計算機使用量子比特代替比特。量子比特具有更豐富的狀態，不僅限于0或1，它們可以是0和1的疊加態，也可以是復雜的組合。就像薛定諤的貓一樣，它可以處于既生又死的狀態。這樣的狀態自然能保存更多的信息?？茖W家們可以使用特定的量子算法去利用這個疊加態特性，在特定問題上獲得優勢。

同時，這也代表著量子計算機能解決一些傳統計算機很難去解決的問題。Neven表示：“許多未來改變游戲規則的應用程序在傳統計算機上是行不通的，它們正等待量子計算來解鎖。”

然而，張浩霖告訴每經記者，量子比特非常強大，但也極其脆弱。傳統計算現在幾乎能達到0錯誤了，但量子計算不行，因為量子比特的物理性質導致它非常敏感，環境對于量子計算的影響很大，但凡有個風吹草動就會出現巨大的擾動。而且，研究人員認為，量子計算機需要更多、更大規模的量子比特才能發揮實際作用。而使用更多的量子比特也就意味著錯誤會累積得更多，這就形成了一個難以破解的悖論。

另外，由于量子的不可克隆性，一旦出現錯誤，想回溯都是很困難的事情。

不過，Willow能以指數級的方式減少錯誤率。Neven表示：“Willow使用的量子比特越多，系統的錯誤率越低，其量子特性也越顯著。”

這是為什么？Willow將量子比特組織稱為“邏輯量子比特”的網格配置，這可以實現實時糾錯。并且規模越大，糾錯效果越好。張浩霖表示，如果規模足夠的話，錯誤率可以無限接近于0。

圖片來源：谷歌官網截圖

正如理論計算機科學家Peter Shor在1995年所說的那樣，在“糾錯閾值以下”運行，這是一項歷史性的成就。對于構建大規模的量子計算機來說，這絕對至關重要。

專家：量子計算分為四個階段，目前正處于第三階段前夕 

谷歌CEO皮查伊在X平臺發文稱，Willow是邁向打造實用量子計算機的重要一步，該計算機可在藥物研發、聚變能、電池設計等多個領域得到實際應用。

圖片來源：X平臺截圖

谷歌量子人工智能硬件總監Julian Kelly也表示，“這將推動科學和自然探索的邊界。隨著未來在醫藥、電池和核聚變等領域的商業應用，我們很高興能夠解決無法解決的問題。” 

作為首個低于糾錯閾值的系統，這是迄今為止構建的可擴展邏輯量子比特最令人信服的原型。這有力地表明，實用的超大型量子計算機確實可以構建，但將量子計算投入實際應用還有很長的路要走。

張浩霖對記者表示：“中科大的陸朝陽教授曾經提出過量子計算的幾個階段，第一個階段是在實驗室里證明它的可行性，第二個階段是證明它比傳統計算具有優越性，第三階段是解決實際問題，第四個階段才是通用量子計算機。目前我們完成了前兩個階段，正處于第三階段的前夕。”這就像20世紀40年代的第一臺計算機一樣——具有革命性，但尚未準備好進入家庭。

在采訪中，他還提到了量子計算機的壽命問題，在目前谷歌實驗中物理量子比特的壽命只有68微秒，相較于傳統計算能存活幾百年的時間，這點時間可以說是微不足道，盡管谷歌聲稱他們的量子比特陣列比單獨的物理量子比特的壽命更長。

谷歌也承認，我們可能要到2030年才能看到商用量子計算機。未來量子計算還將面臨諸如提高操作準確性、開發更多實用應用程序和降低量子計算時間成本等一系列挑戰。

但谷歌表示，它正在朝著目標前進。2019年，該公司發布了具有商業價值的量子計算機路線圖。Neven表示，他們已經完成了一半。

圖片來源：谷歌官網截圖

Willow就像萊特兄弟的第一次飛行——它證明了一切皆有可能。我們或許不會很快駕駛量子飛機沖破云霄，但現在，量子革命已不可避免。