2024年12月10日，Google公佈了其量子晶片最新進展：Willow晶片在RCS（隨機線路採樣）基準測試中建立了史無前例的量子優勢，5分鐘內即可完成當下最先進的超級電腦需要10 ²⁵（10億億億）年才能完成的計算——從創世之初到天荒地老也算不完。此外，這款晶片還首次實現了表面碼糾錯的歷史性突破：糾錯後的邏輯量子比特錯誤率低於所有參與糾錯的物理量子比特，換句話說，現在終於可以越糾越好了。

實際上，早在今年9月，我就在《返樸》上發表了介紹相關工作的文章——《Google量子糾錯取得重要突破：邏輯量子比特壽命大幅延長》，並提到晶片上的進步乃是促成這項突破的關鍵。文章指出了這項工作的歷史性意義，同時也表達了對國內量子計算研發過程的擔憂。令我頗感遺憾的是，當時這篇文章並沒有引起太多關注。直到Google量子晶片Willow正式發布，立刻震驚全網。一時間，找我求證的人可謂絡繹不絕，紛紛讓我做出評價，我只得苦笑一聲並翻出那篇老文章，並告訴大家其實我已經解讀了。

轉念一想，我覺得還是值得再寫一篇。這次Google「良心」地公佈了晶片高清照片和整體指標，所以我還是能提供一些新東西的。既然Google發布的主角是Willow晶片，那這次我就專注在超導量子晶片上。

量子晶片是量子運算的基本邏輯單元－量子位元的載體。此外，晶片上還需要排布與量子位元操控和測量相關的必要電路，包括讀取諧振腔/傳輸線、微波/直流操控線等，以及實現量子糾纏所需的耦合單元。

事实上，超导量子芯片与传统的半导体芯片相比，两者有不少相似之处：同样是将各种元器件以复杂的电路形式刻印在小小的硅片或其他衬底上，刻印的尺寸都在微纳米尺度。这为超导量子计算带来了一个非常诱人的优势：与半导体工业具有高度的可兼容性。不过，二者也有些显著的区别。一方面是最核心的元器件，半导体芯片为场效应晶体管，而超导量子芯片使用约瑟夫森结；另一方面是材料，半导体芯片主要使用掺杂硅、二氧化硅，以及铜、铝等电路引线材料，而超导量子芯片必须使用各种常规超导材料，如铝、铌、钽等。这些区别又导致了它们在工艺制程上有巨大的差别。当我给单位来访嘉宾们讲解我们的量子芯片加工实验室时，被问到最多的一个问题就是：“你们这个相当于半导体的几纳米？”我总不免要先“呃”一下，然后大脑飞快思索一番，想如何能讲清楚这个问题。讲完这些区别后，看着听众们一言不发，只是抿着嘴坚定地点头，我知道，我又没讲透。

量子晶片的質量，基本上決定了最終量子計算的質量。 Google這次發布的Willow晶片，包含105個量子比特，等等，才105個量子比特，就值得這麼大張旗鼓發布，還贏得馬斯克等一眾科技大佬的點讚嗎？要知道，蘋果M1晶片就包含了160億個電晶體啊！我的回答是，值，這就是赤裸裸地秀肌肉，妥妥的塔尖級別的量子晶片。有許多因素導致研發100規模量子運算晶片極富挑戰性。

首先，量子態極為脆弱。特別像超導量子位元這樣的宏觀量子位元，儲存的資訊在眨眼工夫（不到1毫秒）就會徹底消失，想讓量子資訊消失得慢一點，需要付出極大的努力（可參閱《超導量子位元壽命突破500微秒－雖為人間一剎，卻是意義非凡》）。

其次，經典比特要嘛處於0要嘛處於1，只要雜訊不是大得離譜（例如在太空環境下），電晶體幾乎就不會出錯。而量子位元則可以處於0和1的任意疊加態，任何輕微的擾動就足以改變一個量子態。

第三，在多量子位元晶片中，位元與位元、位元與耦合器、位元與控制線等之間總是會存在難以消除的殘餘交互作用，導致所謂的「串擾」。串擾的存在大大增加了校準的難度和成本，限制了量子閘保真度的提升，同時也導致錯誤在量子位元間迅速蔓延。

此外還有頻率擁擠、封裝等問題。要克服上述這些困難，需要在設計、材料和工藝等方面的長期努力。 Google花了5年時間，終於從Sycamore進化到Willow，退相干時間取得了5倍的提升，對於這種高連通度、高調控自由度的晶片而言，這是一個巨大的進步。再加上讀取速度和保真度的進步，終於讓開頭提到的兩項突破成為可能。

相較於早先的Sycamore世代和二代，Willow晶片的退相干性能有了大幅提升。

關於晶片的細節，我們目前只能從照片上了解。在先前arXiv上貼的論文（Quantum error correction below the surface code threshold）中，他們提到了這歸功於「能隙剪裁（Gap-engineering）」技術的應用。此外，基於可調式量子位元和可調式耦合器，Google開發了一整套基於資料訓練和學習的最佳化方法，以確保所有量子位元工作在最佳狀態。晶片是量子運算最為核心的技術，Google、IBM等世界頂級團隊，早已不再公佈其技術細節。值得慶幸的是，國內長期從事超導量子運算研究的top團隊仍能及時跟進，並同樣取得不錯的成績。

包含105個量子位元的Willow晶片

但我們需要警惕的是，我們過於關註一些“硬指標”，如比特數量、門保真度等，而容易輕視一些系統級指標和“軟指標”，對於量子計算這樣複雜的系統性技術而言，這是過度簡化的，時間長了甚至是危險的。舉例來說，這次發布的Willow晶片，其讀取速度超過了90萬次/秒，也就是1.1微秒完成一次讀取，這不僅要求晶片上有高超的設計，同時要求測控電子學系統有超高的即時解碼能力。 Google最近也發表了一篇高水平論文，展示了機器學習模型AlphaQubit在量子計算錯誤識別方面的優異性能；IBM則在量子-超算融合方面取得進展——利用127比特量子雲平台與“富嶽”的結合，實現了包含28個原子的FeS團簇分子計算。這樣的例子還有很多。如何建構一套科學的、與時俱進的系統評測方法，或者說基準測試方法，對未來推動量子計算工程化、實用化而言是非常重要的。

Willow晶片的性能指標一覽

最後，恭喜Google量子AI團隊。我國的超導量子運算團隊在奮力追趕的同時，也應沉得住氣，今年不行明年。不必半年一小發布，一年一大發布，沒東西硬發布。畢竟Google此次發布距離上一次已過五年。

寫|無邪