12月10日，谷歌通过官方博客宣布，其最新的量子计算芯片“Willow”得了两项重大成就：
1、Willow可以在使用更多量子比特（拥有105个物理量子比特）的情况下，成倍地减少错误，破解了近30年来一直在研究的量子纠错挑战。
2、Willow可以在不到5分钟内完成一项标准基准计算，而当今最快的超级计算机要完成这一计算需要10^25（10000000000000000000000000）年的时间，这一时间比宇宙的年龄还长。
谷歌量子 AI 实验室负责人哈特穆特内文（Hartmut Neven）称，“当我在2012年创立谷歌量子人工智能时，我的愿景是建立一个有用的大规模量子计算机，可以利用量子力学我们今天所知道的自然界的“操作系统”通过推进科学发现、开发有用的应用程序和应对一些社会最大的挑战来造福社会。Willow芯片的推出，实现了关键的技术突破，使我们朝着商业相关应用的方向迈出了重要的一步。”
不过，哈特穆特内文也承认，能够实际应用于商业场景的量子计算机在2030年之前可能不会出现。
△谷歌量子硬件总监 Julian Kelly 通过视频介绍Willow 及其突破性成就
指数级的提升量子纠错能力
错误是量子计算中最大的挑战之一，因为量子比特（量子计算机中的计算单位）倾向于与环境快速交换信息，这使得很难保护完成计算所需的信息。通常，你使用的量子位越多，发生的错误就越多。
然而，Willow量子芯片实现了使用的量子位越多，减少的错误就越多，系统可用的量子就越多的惊人成就。
谷歌测试了越来越大的物理量子位阵列，从3x3编码量子位的网格扩展到5x5的网格，再到7x7的网格。每次的扩展，谷歌都能在量子纠错方面取得最新进展，即都能将错误率减半。
换句话说，谷歌实现了错误率的指数级下降。这一历史性成就在该领域被称为“低于阈值”能够在减少错误的同时扩大量子比特的数量。你必须证明自己低于阈值，才能在纠错方面取得真正的进展，自1995年Peter Shor引入量子纠错以来，这一直是一个突出的挑战。
这一成就还涉及其他科学“第一”。例如，这也是超导量子系统上实时纠错的第一个引人注目的例子之一，这对任何有用的计算都至关重要，因为如果你不能足够快地纠正错误，它们会在计算完成之前破坏你的计算结果。这是一个“超越盈亏平衡”的演示，谷歌的量子比特阵列的寿命比单个物理量子比特的寿命更长，这是纠错正在改善整个系统的一个不可忽视的迹象。
作为第一个低于阈值的系统，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。这是一个强有力的迹象，表明确实可以建造有用的、非常大的量子计算机。Willow使我们更接近于运行实用的、商业上相关的算法，这些算法无法在传统计算机上复制。
5分钟完成经典超算100亿兆年的计算量
作为Willow性能的衡量标准，谷歌使用了随机电路采样（RCS）基准。RCS现在也被广泛用作该领域的标准，是当今量子计算机上可以完成的经典的最难的基准。
你可以把这看作是量子计算的切入点它检查量子计算机是否在做经典计算机无法完成的事情。任何构建量子计算机的团队都应该首先检查它是否能在RCS上击败经典计算机。否则，人们有充分的理由怀疑它能否解决更复杂的量子任务。谷歌一直使用这一基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展。
Willow在这个基准测试中的表现令人惊讶：它在不到五分钟的时间内完成了一次计算，这将需要当今最快的超级计算机则需要10^25（10000000000000000000000000）年，这个数字远远超过了宇宙的年龄。
如下图所示，Willow的这些最新测试结果是也迄今为止表现最好的，谷歌表示还将会继续取得进展。
△计算成本深受可用内存的影响。因此，谷歌的估计考虑了一系列场景，从具有无限内存的理想情况（▲）到GPU上更实用、更尴尬的并行化实现（）。
谷歌对Willow如何超越世界上最强大的经典超级计算机之一Frontier的评估是基于保守的假设。例如，可以完全访问辅助存储，即硬盘驱动器，而不会产生任何带宽开销这对Frontier来说是一个慷慨而不切实际的允许。当然，正如谷歌在2019年宣布第一个超越经典计算之后所发生的那样，谷歌预计经典计算机将在这个基准上不断改进，但快速增长的差距表明，量子处理器正在以双指数的速度剥离，随着量子比特数量的扩大，它将继续大大优于经典计算机。
最先进的量子计算芯片
Willow是在谷歌位于美国圣巴巴拉的最先进的新制造工厂制造的，这是世界上为数不多的为此目的从头开始建造的工厂之一。系统工程是设计和制造量子芯片的关键：芯片的所有组件，如单量子比特门和双量子比特门、量子比特复位和读出，都必须同时进行良好的设计和集成。如果任何组件延迟或两个组件不能很好地协同工作，则会降低系统性能。
因此，最大化系统性能为谷歌的工艺的各个方面提供了信息，从芯片架构和制造到栅极开发和校准。谷歌报告的成就是从整体上评估了量子计算系统，而不仅仅是一次评估一个因素。
谷歌更为关注的是质量，而不仅仅是数量因为如果量子比特的质量不够高，仅仅生产更多的量子比特是没有帮助的。
凭借出色的低错误率和105个量子比特，Willow现在在上述两个系统基准测试中具有同类最佳的性能：量子纠错和随机电路采样。这种算法基准测试是衡量整体芯片性能的最佳方法。
其他更具体的绩效指标也很重要；例如，Willow的T1时间（衡量量子比特可以保持激发多长时间）关键的量子计算资源现在接近100微秒。这比谷歌上一代量子芯片提高了约5倍，令人印象深刻。
如果你想评估量子硬件并跨平台进行比较，下面这里有一个关键规格表：
△Willow在多个指标上的表现
谷歌Willow和其量子计算厂商的下一步是什么？
量子计算领域的下一个挑战，是在当今的量子芯片上展示与现实世界应用相关的第一个“有用的、超越经典的”计算。谷歌乐观地认为，Willow一代芯片可以帮助我们实现这一目标。
到目前为止，已经有两种不同类型的实验。一方面，谷歌运行了RCS基准测试，该测试针对经典计算机衡量性能，但没有已知的实际应用。另一方面，谷歌对量子系统进行了科学上有趣的模拟，这导致了新的科学发现，但仍然在经典计算机的范围内。谷歌的目标是同时做到这两点进入经典计算机无法企及的算法领域，这些算法可用于解决现实世界中与商业相关的问题。
△随机电路采样（RCS）虽然对经典计算机来说极具挑战性，但尚未展示出实际的商业应用。
谷歌希望邀请研究人员、工程师和开发人员加入其旅程，查看其开源软件和教育资源，包括在Coursera上的新课程，开发人员可以在那里学习量子纠错的要领，并帮助我们创建可以解决未来问题的算法。
“我的同事有时会问我，为什么我离开了新兴的人工智能领域，专注于量子计算。我的答案是，两者都将被证明是我们这个时代最具变革性的技术，但先进的人工智能将从量子计算中受益匪浅。这就是为什么我把我们的实验室命名为量子人工智能。量子算法有基本的缩放定律，正如我们在RCS中看到的那样。对于许多对人工智能至关重要的基础计算任务来说，也有类似的缩放优势。”
哈特穆特内文表示：“因此，量子计算对于收集经典机器无法访问的训练数据、训练和优化某些学习架构，以及在量子效应很重要的情况下对系统进行建模都是不可或缺的。这包括帮助我们发现新药，为电动汽车设计更高效的电池，以及加快聚变和新能源替代品的进展。许多未来改变游戏规则的应用程序在经典计算机上是不可行的。它们正等待着用量子计算解锁。”
编辑：芯智讯-浪客剑
