谷歌量子芯片两大突破:5分钟顶最强超算10²⁵年

当全球都在热议人工智能的无限可能时，谷歌悄然在量子计算领域取得了一次里程碑式的突破。当地时间12月9日，谷歌CEO桑达尔·皮查伊在社交媒体X上宣布，其最新量子芯片Willow实现了“指数级降低错误率”的关键进展，成功破解了这一领域困扰研究者30多年的难题。

据悉，这款芯片能在短短5分钟内完成一项超复杂计算，而这项任务即便是当今最快的超级计算机，也需要耗时超过宇宙存在时间的长度才能完成。

谷歌这一成果不仅震撼了科技界，还获得了OpenAI CEO奥尔特曼和特斯拉CEO埃隆·马斯克等一众大佬的点赞。马斯克在皮查伊的动态下回复说：“哇，”皮查伊随即幽默回应称：“我们或许该用星际飞船在太空中打造一个量子集群。”

这一突破性成就，彻底引发了关于量子计算未来的热议。究竟什么是量子计算？为何它被视为颠覆传统计算的革命性技术？最重要的是，量子计算距离真正改变生活还有多远？

中国科学技术大学（简称“中科大”）量子领域研究人员张浩霖对《每日经济新闻》记者表示，从原理上讲，量子计算的物理性质就决定了它一定会比传统计算强。“中科大的陆朝阳教授曾经提出过量子计算的几个阶段：第一个阶段是在实验室里证明它的可行性，第二个阶段是证明它比传统计算具有优越性，第三阶段是解决特定的实际问题，第四个阶段才是通用量子计算机。目前我们完成了前两个阶段，正处于第三阶段的前夕。”

谷歌突破性量子芯片：5分钟顶目前最强超算10²⁵年当地时间12月9日，谷歌发布了最新的量子计算芯片Willow，称其在纠错和计算能力方面具有突破性进展。

为了测试Willow芯片的性能，谷歌采用了“随机电路采样”（RCS）这个在量子计算界被视为“试金石”的难题，来检验量子计算机是否能完成传统计算机几乎无法实现的任务。

结果非常惊人：Willow芯片在不到五分钟的时间完成了当今领先的超级计算机需要一千万亿亿亿年（10的25次方，或10²⁵）才能完成的计算，“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，远远超过了宇宙年龄（约138亿年）”。

这相对2019年的谷歌量子计算也是一个巨大的跨越。当时谷歌宣布其量子处理器Sycamore可以在三分钟内解决一个方程式，而超级计算机则需要一万年。

此外，谷歌量子AI创始人兼负责人Hartmut Neven引用了大卫·多伊奇在其1997年出版的《现实的结构》一书中详述的预测，他说：“它（这次实验）证实了量子计算发生在许多平行宇宙中的观点，这与我们生活在多元宇宙中的观点一致。”

Neven最初开始创立谷歌量子AI时，他的同事很不解，有时会问他，为什么离开蓬勃发展的AI领域，转而专注于量子计算。他的回答是，这两项技术都将被证明是我们这个时代最具变革性的技术，但先进的AI将从量子计算中受益匪浅。

谷歌并不是唯一一家致力于量子计算的科技巨头。Nvidia、微软和IBM也在研究这项技术。除此之外还有大量的初创企业和大学的研究人员也投身这一领域。

解决了近30年的挑战到底什么是量子计算呢？为何它被视为颠覆传统计算的革命性技术？

中科大量子领域研究人员张浩霖对每经记者表示，从原理上讲，量子计算的物理性质就决定了它一定会比传统计算强。

在传统计算中，信息以比特的形式存储，但比特的储存信息是有限的，因为比特的值可以是0或1。而量子计算机使用量子比特代替比特。量子比特具有更丰富的状态，不仅限于0或1，它们可以是0和1的叠加态，也可以是复杂的组合。就像薛定谔的猫一样，它可以处于既生又死的状态。这样的状态自然能保存更多的信息。科学家们可以使用特定的量子算法去利用这个叠加态特性，在特定问题上获得优势。

同时，这也代表着量子计算机能解决一些传统计算机很难去解决的问题。Neven表示：“许多未来改变游戏规则的应用程序在传统计算机上是行不通的，它们正等待量子计算来解锁。”

然而，张浩霖告诉每经记者，量子比特非常强大，但也极其脆弱。传统计算现在几乎能达到0错误了，但量子计算不行，因为量子比特的物理性质导致它非常敏感，环境对于量子计算的影响很大，但凡有个风吹草动就会出现巨大的扰动。而且，研究人员认为，量子计算机需要更多、更大规模的量子比特才能发挥实际作用。而使用更多的量子比特也就意味着错误会累积得更多，这就形成了一个难以破解的悖论。

另外，由于量子的不可克隆性，一旦出现错误，想回溯都是很困难的事情。

不过，Willow能以指数级的方式减少错误率。Neven表示：“Willow使用的量子比特越多，系统的错误率越低，其量子特性也越显著。”

这是为什么？Willow将量子比特组织称为“逻辑量子比特”的网格配置，这可以实现实时纠错。并且规模越大，纠错效果越好。张浩霖表示，如果规模足够的话，错误率可以无限接近于0。

正如理论计算机科学家Peter Shor在1995年所说的那样，在“纠错阈值以下”运行，这是一项历史性的成就。对于构建大规模的量子计算机来说，这绝对至关重要。

专家：量子计算分为四个阶段，目前正处于第三阶段前夕谷歌CEO皮查伊在X平台发文称，Willow是迈向打造实用量子计算机的重要一步，该计算机可在药物研发、聚变能、电池设计等多个领域得到实际应用。

谷歌量子人工智能硬件总监Julian Kelly也表示，“这将推动科学和自然探索的边界。随着未来在医药、电池和核聚变等领域的商业应用，我们很高兴能够解决无法解决的问题。”

作为首个低于纠错阈值的系统，这是迄今为止构建的可扩展逻辑量子比特最令人信服的原型。这有力地表明，实用的超大型量子计算机确实可以构建，但将量子计算投入实际应用还有很长的路要走。

张浩霖对记者表示：“中科大的陆朝阳教授曾经提出过量子计算的几个阶段，第一个阶段是在实验室里证明它的可行性，第二个阶段是证明它比传统计算具有优越性，第三阶段是解决实际问题，第四个阶段才是通用量子计算机。目前我们完成了前两个阶段，正处于第三阶段的前夕。”这就像20世纪40年代的第一台计算机一样——具有革命性，但尚未准备好进入家庭。

在采访中，他还提到了量子计算机的寿命问题，在目前谷歌实验中物理量子比特的寿命只有68微秒，相较于传统计算能存活几百年的时间，这点时间可以说是微不足道，尽管谷歌声称他们的量子比特阵列比单独的物理量子比特的寿命更长。

谷歌也承认，我们可能要到2030年才能看到商用量子计算机。未来量子计算还将面临诸如提高操作准确性、开发更多实用应用程序和降低量子计算时间成本等一系列挑战。

但谷歌表示，它正在朝着目标前进。2019年，该公司发布了具有商业价值的量子计算机路线图。Neven表示，他们已经完成了一半。

Willow就像莱特兄弟的第一次飞行——它证明了一切皆有可能。我们或许不会很快驾驶量子飞机冲破云霄，但现在，量子革命已不可避免。