5分钟完成1000万亿年计算使命，Google的量子芯片意味着什么？

遇事不决，量子力学。

量子力学诞生距今已有 120 多年的汗青了。从光的双缝干涉实行到「薛定谔的猫」头脑实行，它似乎是我们想象当中最秘密最深奥的物理学定律。美国理论物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）曾说：

假如你以为你相识量子力学，那你就不相识量子力学。

纵然量子力学距离我们相当迢遥，却也在快速地发展：2016 年，我国成功发射「墨子号」量子科学实行卫星；2022 年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们在「量子信息科学」研究方面的贡献。

▲2022 年诺贝尔物理学奖得主（图源：证券时报）

而 Google 克日也在「量子力学」方面有了大动作，堪称「里程碑」式的创新。

Google 量子人工智能团队「Quantum AI」的首创人兼负责人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）在博客发表文章，公布推出其最新的量子芯片「Willow」，并称其为大规模量子计算机铺平了道路。

在文章中，内文称这款芯片「在很多指标上都拥有开始进的性能」，而且「实现了两项重大结果」：

• 其一，是 Willow 增长了「量子比特」的利用数量（105 个），而且「成倍地」镌汰了错误；

• 其二，是 Willow 在不到 5 分钟的时间内完成了其最新的「随机电路采样（RCS）基准测试」。

▲图源：Google

要想理解以上这些突破性结果，我们就必须要相识量子计算机/量子芯片的工作原理。

量子力学的焦点概念之一是「叠加」，即一个量子体系可以同时存在于多个状态，而量子计算机正是利用这种叠加性子来创建「量子比特（Qubits）」，这是量子计算机中的根本计算单位。

与经典计算机中的二进制比特（Classic Bits）不同，量子比特可以同时处于 0 和 1 的「叠加态」。该状态使得量子计算机能够同时处置惩罚多个计算路径或状态，从而在办理某些复杂问题时比经典计算机更快、更高效。

▲图源：Microsoft

别的，量子比特之间还具有一种叫做「量子胶葛」的特殊关系：当量子比特相互胶葛时，无论距离多远，其中一个量子比特的状态会立刻影响另一个量子比特的状态。

此时我们就可以根据某个量子比特的状态得知其他量子比特的状态，这也就到达了信息转达的效果。这种特性使得量子计算机能够在处置惩罚复杂问题时更有用地共享和转达信息。

然而，量子比特的状态非常脆弱，轻易受到外部环境（温度、振动、电磁等）的干扰，导致量子信息丢失，这种征象称为「量子退相干」。由于胶葛，错误可能会从一个量子比特传播到其他量子比特，进而影响计算本领。

而且由于量子比特倾向于与其环境快速互换信息，导致完成计算所需的信息很难被保护。通常，一台量子计算机利用的量子比特越多，发生的错误就越多，整个体系也就更加倾向于「经典体系」。

▲量子纠错表示（图源：Microsoft）

但根据内文的说法，Google 的研究职员引入了一种新的「量子纠错」方法，能够实现 Willow 芯片所利用的量子比特越多，反而会镌汰更多的错误，而且错误率呈指数级降落。

内文在文章中表现这一汗青性结果在该范畴中被称为「低于阈值」，即能够在增长量子比特数量标同时镌汰错误。内文还夸大自彼得·肖尔（Peter Shor）于 1995 年引入量子纠错以来，这不绝是一项极其困难的挑战。

因此，「低于阈值」能够显现「纠错方面的真正希望」，而 Willow 是首个低于阈值的体系，它表明建立超大型量子计算机的可能性确实存在。这一研究效果还被登载在《Nature》杂志上。

▲图源：Google

别的，内文在文章中宣称 Willow 在 5 分钟之内就完成了声称「当今量子计算机上完成的最难的经典基准测试」的随机电路采样（RCS）测试，并称 Willow 的这些最新效果是「迄今为止最好的」。

作为对比，天下上运算速率最快的超等计算秘密 10^25 年才华计算完成 RCS，这个时间以致高出了宇宙的年龄（约 138 亿年）。

随机电路采样（Random Circuit Sampling，简称 RCS）测试是一种用于评估量子计算机性能的方法。其焦点头脑是利用量子计算机执行随机选择的量子门操纵，生成随机的量子态，然后对这些量子态举行采样和测量。

RCS 最早就是由内文所在的团队提出的，内文称其如今是「该范畴的通用标准」。

▲图源：Google

值得一提的是，2019 年，Google 就宣称其开发的量子处置惩罚器「Sycamore」仅用三分钟就可以完成其时天下上最快的超等计算机一万年才华完成的计算，还夸大其研究团队已经取得了「量子霸权」。

IBM 对 Sycamore 的计算测试效果提出了贰言，而且「量子霸权」这个词也引起了不小的争议，只管 Google 夸大该词只是一个「艺术术语」。厥后，Google 只管避免利用这个词语，只是说已经实现了「逾越经典计算」。

别的，IBM 和霍尼韦尔（HoneyWell）公司在他们的量子力学研究中一样平常利用「量子体积」这个术语来形貌和量化其量子计算机设备，Google 却完全不消这个概念。缺少同一标准，导致竞品之间难以举行对比。

▲图源：Google

内文表现，量子技能在网络 AI 训练数据、发展新能源汽车和发现新药方面都有其用武之地。

与此同时，他还预测了 Google 量子力学研究的下一个目标：完成一个既「与实际步伐相干」，又是「经典计算机无法实现」的计算，真正做到「有用」而且「逾越经典」。