当地时间12月9日，谷歌公布其最新超导量子计算芯片Willow，在随机电路采样（RCS）基准测试中，Willow在5分钟内完成了当前最强大的超级计算机之一需要10年（比宇宙年龄还长）才能完成的计算任务。谷歌首席执行官桑达尔皮查伊在社交平台发布这一消息后，收到了SpaceX创始人马斯克、OpenAI首席执行官奥特曼的留言互动，皮查伊还与马斯克在评论区探讨了利用星舰在太空构建量子集群的可能性。
同一计算任务，Willow与经典超算耗时对比（图片截自谷歌视频）除了在RCS基准测试取得惊人的成绩，Willow在量子纠错、相干时间、系统工程等方面，也取得了突破性进展。破解困扰量子纠错领域近30年的关键问题虽然有“10年”这一具有冲击力的测试数据，但在盘点Willow的高光亮点时，谷歌量子AI团队首推在量子纠错领域实现的进展，并称其“解决了量子纠错领域近 30 年来的关键挑战”。错误率一直是量子计算最大的挑战之一。微软Azure Quantum团队表示，相比标准计算机CPU每十亿一次 (EPB) 到每万亿一次 (EPT)的错误率，量子计算机的错误率要高得多。量子门中的噪声、退相干和缺陷，都可能导致量子计算出错。当前最先进的量子计算机的错误率通常在 1%~0.1% ，这意味着平均每 100 到 1000 次量子门操作中就有一次会导致错误。针对这一问题，麻省理工学院应用数学教授彼得肖尔（Peter Shor）在1995年提出量子纠错理论，核心思想是将多个物理量子比特编码为逻辑量子比特，基于两者的映射关系，使逻辑比特能够检测并纠正某些错误。肖尔开发了第一个量子纠错码（肖尔码），用九个量子比特编码逻辑量子比特，以纠正比特翻转和相位翻转错误。基于量子纠错理念，各种类型的量子纠错代码被陆续提出。其中，表面码被认为是工程实现价值较高的编码方式。表面码是一种拓扑纠错码，用二维量子比特点阵编码逻辑量子比特，具有较高的纠错阈值。北京量子信息科学研究院研究员金贻荣曾撰文指出，表面码模块化的设计方法使得拓扑码具有良好的可扩展性，符合工程化实现的要求。表面码只需要近邻耦合，对错误率的阈值要求比较低，尽管其编码效率不高，但已成为目前最具工程实现价值的编码方法之一，特别适合超导量子芯片。而表面码要在量子纠错中发挥效用，就要使物理错误率低于表面码的错误率临界阈值。当低于阈值，逻辑错误率将随着量子比特的增加呈指数级抑制。谷歌Willow的关键进展就在于，实现了逻辑量子比特以低于量子纠错阈值的错误率运行。这是“低于阈值”理论自上世纪90年代提出以来，量子计算产业长期追求的目标。在测试中，Willow 使用的量子比特越多，错误就越少，系统的量子化程度也就越高。谷歌团队测试了从3x3到5x5再到7x7的物理量子比特阵列，错误率依次减半。这意味着谷歌实现了 “低于阈值”， 可以在扩大量子比特数量的同时降低错误率。“每次我们添加物理量子比特，并将表面码的码距（将一个代码字更改为另一个代码字的最小错误数）从3增加到5再到7时，错误率都会减半。”谷歌硬件主管Julian Kelly表示。
随着码距增加，Willow的逻辑错误率降低（图片截自谷歌视频）同时，Willow“低于阈值”的系统还首次在超导量子系统实现实时纠错，使错误能够在对计算产生破坏之前就被纠正，超越了纠错的盈亏平衡点，实现了逻辑量子比特的寿命比参与编码的所有物理量子比特的寿命都长。该系统为构建可扩展的逻辑量子比特提供了原型，也让通过添加更多量子比特来构建更庞大复杂的量子芯片成为可能。计算能力和工作时间显著进步除了在量子纠错的显著进展，Willow还在基础测试中展现出更强的计算能力和相干时间。凭借105 个量子比特，Willow在随机电路采样（RCS）基准测试中，以不到五分钟的时间完成了一项计算，而当前最快的超级计算机之一需要 10 的 25 次方年才能完成同一任务而这一时长已经超过了物理学中已知的时间尺度，也远远超过宇宙的年龄。谷歌量子AI创始人哈特穆特乃文（Hartmut Neven）表示，Willow的RCS测试结果，为量子计算发生在多个平行宇宙的观点提供了可信度。牛津大学教授大卫多伊奇相信量子计算机将为平行宇宙的存在提供证据。RCS是谷歌量子AI团队开创的基准测试。被乃文描述为目前量子计算机最难的经典基准测试，能够评估量子计算机超越经典超级计算机的能力。在2019年10月的RCS测试中，谷歌量子处理器Sycamore大约需要 200 秒对量子电路的一个实例进行一百万次采样，当时最先进的经典超级计算机需要 10000 年才能完成同等任务。相比之下，Willow展示了更惊人的计算性能。Willow取得突破的另一个重要性能指标是相干时间，也就是量子比特保持预期状态的时间长度。肖尔曾指出，量子计算的主要困难之一是退相干破坏了量子计算机中包含的状态叠加信息，从而使长时间的计算变得难以实现。在测试中，Willow将量子相干时间提高了5倍，达到100微秒，是Sycamore 的5倍，且没有牺牲系统的任何功能。具体来看，Willow提升的相干时间是T1时间。据国仪量子介绍，量子计算的相干时间通常关注两个参数：T1时间和T2时间。T1时间决定了能在多长时间内区分量子比特的状态1和状态0。当一个量子比特被激发到高能级（激发态）时，类似经典比特从0到1。在T1时间内，量子比特会从高能态返回到低能态，即从1变回0。这意味着量子比特会失去携带的信息。基于此，Willow能够维持比Sycamore更长的计算“工作时间”，完成更多的计算。Willow的性能跃升，也离不开制造技术的进步。Willow的生产是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工厂完成的。乃文表示，设计和制造量子芯片时，系统工程是关键。芯片的所有组件，如单量子比特门和双量子比特门、量子比特重置和读取，都必须经过精细的设计和集成。如果任何一个组件滞后，或者两个组件难以协同，就会拖累整体的系统性能表现。面向未来的发展，乃文表示量子计算芯片的下一个挑战是在实际应用中展现 “有用、超越经典” 的计算。在Willow的RCS 基准测试中，并没有运行已知的实际应用。“我们的目标是同时做到这两点踏入经典计算机无法企及且对现实世界、商业相关问题有用的算法领域。”乃文说。作者丨张心怡编辑丨诸玲珍美编丨马利亚监制丨连晓东
