Google Willow晶片解決量子運算三十年難題馬斯克與奧特曼送上祝賀
今日凌晨,Google公佈重大突破——其最新量子晶片Willow在基準測試取得驚人成績,不到5分鐘完成一項標準計算。而如今最快的超級電腦完成同樣的任務,足足要花費超過10^25年的時間,比宇宙的年齡還要長!

Willow的突破可在使用更多量子位元的情況下倍增錯誤,破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰。

Alphabet及GoogleCEO皮查伊發文官宣這項重磅進展後,馬斯克立即評論「Wow」。兩人還在評論區熱聊起來,皮查伊建議有朝一日用SpaceX的星艦在太空裡建造個量子集群,馬斯克則回應「這很可能會發生」。

連剛發布Sora視頻大模型新品的OpenAI聯合創始人兼CEO薩姆·阿爾特曼都抽空道喜:“大大的祝賀!!”皮查伊回禮道:“多元宇宙未來的量子+AI即將到來,也恭喜o1發布!

皮查伊說,Willow是建造有用的量子電腦的重要一步,它在藥物發現、聚變能、電池設計等領域都有實際應用。
“我認為大多數人並沒有完全理解這一突破的重要性。”大衛·馬庫斯發文強調說,“這一突破意味著後量子密碼學和加密技術需要進一步發展。”
在Google量子計算部門首席營運長Charina Chou看來,這項成就意味著到21世紀末,量子電腦能夠實現甚至最強大的超級電腦都無法實現的科學發現。
谷歌量子AI團隊負責人哈特穆特·內文談道,量子演算法有基本的scaling law,許多對AI至關重要的基礎計算任務也有類似scaling優勢,因此量子計算對於收集傳統機器無法訪問的訓練資料、訓練和優化某些學習架構以及對量子效應很重要的系統進行建模將是必不可少的。這包括幫助發現新藥、為電動車設計更有效率的電池,以及加速核融合和新能源替代方案的進展。

許多未來改變遊戲規則的應用程式中在傳統電腦上是行不通的,它們正等待量子運算來解鎖。
相關論文已發表於國際頂尖期刊Nature。

論文地址:
01 .
Willow晶片:105個量子比特,
破解30年來重大挑戰
錯誤是量子運算面臨的最大挑戰之一,因為量子位元往往會與周圍環境快速交換訊息,因此很難保護完成計算所需的資訊。通常,使用的量子位元越多,錯誤就會越多,系統就會變得像經典系統一樣。
目前的量子電腦對於大多數商業或科學應用來說太小且容易出錯。而Google的實驗表明,採用正確的糾錯技術,量子電腦在規模擴大後能以越來越高的準確度執行計算,而且這種改進的速度超過了一個關鍵臨界值。
「這是我們30年來的目標。」Google總部研究科學家邁克爾紐曼在宣布這項成就的新聞發布會上說。
根據Google量子硬體部門負責人、物理學家朱利安凱利解釋,量子電腦將資訊編碼為可以表示0或1的狀態,但也可以採用多個0和1的無限可能組合。

但這些量子資訊狀態非常脆弱,要讓量子電腦執行有用的計算,你需要量子訊息,並且需要保護它免受環境和操作的影響。
為了實現這種保護(沒有這種保護,量子運算就無法實現),理論家們從1995年開始發展巧妙的方案,將一個量子位元的資訊分散到多個「物理」量子位元上。由此產生的「邏輯量子比特」至少在理論上能夠抵禦雜訊。要使這種稱為量子誤差校正的技術在實踐中發揮作用,就必須證明這種將資訊分散到多個量子位元的方法能夠有效降低錯誤率。
過去幾年,IBM、AWS等多家公司和學術團體已經證明,糾錯可以略微提高準確性。谷歌在2023年初發布了一項成果,該成果使用了其Sycamore量子處理器中的49個量子位元,該處理器在超導電路中對每個物理量子位元進行編碼。
谷歌新晶片名為Willow,是其更大、改進的版本,有105個實體量子位元。它是在Google於2021年在加州聖塔芭芭拉的量子計算園區建造的製造實驗室中開發的。
系統工程是設計和製造量子晶片的關鍵:晶片的所有組件都必須同時經過精心設計和整合。如果任何組件滯後或兩個組件不能很好地協同工作,就會拖累系統效能。因此,最大化系統效能貫穿全流程,從晶片架構和製造到閘開發和校準。其報告的成就是整體評估量子計算系統,而不是一次只評估一個因素。
谷歌注重質量,而不僅僅是數量。 Willow在量子糾錯和隨機電路取樣兩個系統基準測試中均擁有一流的效能。此類演算法基準測試是衡量晶片整體效能的最佳方式。

其他更具體的效能指標也很重要;例如,T1時間(測量量子位元可以保留激發的時間長短-關鍵的量子運算資源)現在接近100µs,相比Google上一代晶片相比,實現約5倍的改進。

谷歌量子計算部門負責人哈特穆特·內文說,這是量子電腦相對於傳統電腦的優勢的最新體現。
02 .
將錯誤率指數級降低,
效能遠超傳統超算
谷歌在Nature上發表的研究結果表明,Willow中使用的量子位元越多, 錯誤減少得就越多,系統就越量子化。

研究團隊測試了越來越大的實體量子位元陣列,從3×3編碼量子位元網格擴展到5×5,再到7×7——每一次,利用在量子糾錯方面的最新進展,他們都能夠將錯誤率降低一半。

換句話說,他們實現了錯誤率的指數級降低。
這項歷史性成就在業界被稱為「低於臨界值(below threshold)」——能在增加量子位元數量的同時降低錯誤。
必須證明低於臨界值才能證明在糾錯方面取得了真正的進展,自1995年Peter Shor引入量子糾錯以來,這一直是一項艱鉅的挑戰。
這項結果還涉及其他科學「第一」。
例如,它也是超導量子系統即時糾錯的首批引人注目的例子之一。這對於任何有用的計算都至關重要,因為如果不能足夠快地糾正錯誤,它們會在完成計算之前毀掉它。

其量子位元陣列比單一實體量子位元的壽命更長,這表明糾錯正在改善整個系統。
作為首個低於臨界值的系統,這是迄今為止構建的可擴展邏輯量子位元最令人信服的原型。這有力地表明,實用的超大型量子電腦確實可以建造。Willow使其更接近運行傳統電腦上無法複製的實用、商業相關演算法。
為了衡量Willow的效能,研究團隊使用了其首創的隨機電路取樣(RCS)基準。
這是當今量子電腦上可以完成的最困難的傳統基準。你可以將其視為量子運算的切入點,它檢查量子電腦是否在做一些傳統電腦上無法完成的事情。
任何建造量子電腦的團隊都應該先檢查它是否可以在RCS上擊敗傳統電腦;否則有充分的理由懷疑它能否處理更複雜的量子任務。
谷歌一直使用這個基準來評估從一代晶片到下一代晶片的進展。他們在2019年10月報告了Sycamore的結果,最近在2024年10月再次報告了結果。
Willow在這項基準測試中的表現令人驚嘆:不到5分鐘的時間內完成了一項計算,而當今最快的超級電腦之一需要10^25年才能完成。
如果要寫出來, 則是:
10,000,000,000,000,000,000,000,000年。

這個令人難以置信的數字超出了物理學中已知的時間尺度,遠遠超過了宇宙的年齡。
它證實了量子計算發生在許多平行宇宙中的觀點,這與量子物理學家戴維·多伊奇首次提出的我們生活在多元宇宙中的觀點一致。
如圖所示,Willow的最新結果是谷歌迄今為止最好的。

▲計算成本受可用記憶體的影響很大,因此Google的估算考慮了一系列場景,從記憶體無限的理想情況(▲)到更實用的GPU並行實現(⬤)
谷歌對Willow如何超越世界上最強大的經典超級電腦之一Frontier的評估是基於保守的假設。例如,假設可以完全存取二級儲存(即硬碟),而無需任何頻寬開銷——這對Frontier來說是一個慷慨而不切實際的假設。
正如Google在2019年宣布首次超越經典計算後發生的那樣,他們預計經典計算機將在這個基準上繼續改進,但迅速擴大的差距表明,量子處理器正以雙倍指數的速度赶超經典計算機,並且隨著擴大規模,其性能將繼續遠遠超過經典計算機。
03 .
結語:邁向商業應用
2012年Google量子計算AI團隊創立時,願景是建立一台實用的大型量子計算機,利用量子力學推動科學發現、開發有用的應用程式和解決一些社會最大挑戰,從而造福社會。作為Google Research的一部分,其團隊已經制定了長期路線圖,而Willow正推動他們朝著商業相關應用的方向邁進。
該領域的下一個挑戰是展示當今量子晶片上第一個「有用的、超越經典」的計算,該計算與實際應用相關。谷歌團隊樂觀地認為Willow一代晶片可以幫助他們實現這一目標。迄今他們已經進行了兩種不同類型的實驗。一是運行RCS基準測試,衡量了與傳統計算機的性能,但尚無實際的商業應用;二是對量子系統進行了科學上有趣的模擬,這推動了新的科學發現,但仍在傳統計算機的範圍內。

其目標是同時完成這兩件事,進入傳統電腦無法企及的演算法領域,這些演算法對現實世界的商業相關問題有用。