关键一跃 5分钟完成传统超算10²⁵年计算量 谷歌Willow在量子纠错领域实现 (关键的一跃裁谁)

量子计算机赛道里，挤满了巨头和初创公司。由于量子计算机可以执行工作负载，解决现阶段即使是最强大的计算机都无法解决的问题，因此在全球范围内，量子计算市场正高速增长，数十亿美元流入这个领域。

由于这项技术尚处于早期阶段，量子计算带来的收入仍然比支出少很多倍，而且真正的量子计算机何时出现仍然存在争议。构建量子计算机面临许多难题，其中一个关键因素是 「量子纠错」 。

量子比特是量子计算的基本运算单元，即量子系统的组成部分，它对温度波动、电磁辐射和振动等一系列外界干扰都非常敏感。而量子纠错作为保护量子比特不受错误影响的一系列技术，对于确保量子计算的准确性至关重要。

位于加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能实验室的研究人员表示， 他们已经解决了量子系统纠错的一个关键挑战，这是科学家们三十年来一直试图破解的问题。 在一个系统中使用的量子比特越多，错误就会越多，而量子计算的发展需要满足的另一个必要条件是 系统扩展的能力，但错误与量子比特数量成正比无疑对系统的扩展造成了阻碍。

谷歌实验室的研究科学家Michael Newman表示，纠错需要将许多物理量子比特聚集到一起，让它们协同工作，从而形成一个逻辑量子比特以实现量子纠错。

Newman在一次视频采访中告诉记者和分析师：“我们希望，随着这些量子比特的集合越来越大，纠错的次数越来越多，实现量子比特越来越准确。问题是，随着量子比特的集合变得越来越大，也会有更多的错误出现，所以我们需要足够好的设备，这样当我们把集合做大时，纠错才可以克服这些额外错误。”

20世纪90年代， 「量子纠错阈值」 概念被提出，其想法是如果量子比特足够好，那么随着系统变得更大，这些物理量子比特组也可以变大，而且不会出现额外错误。谷歌表示，这是一个三十年的目标，直到现在还没有实现。

本周在《自然》杂志上，谷歌介绍了最新的量子芯片，其前身是谷歌旗下的Sycamore量子处理器。在使用72量子比特和105量子比特的Willow处理器实验中，谷歌的研究人员测试了越来越大的物理量子位阵列，即逻辑量子比特，这些阵列大小从3×3、5×5到7×7不等，每次逻辑量子位的尺寸增加，都能实现错误率 「不增反降」 。

Newman称：“每次我们增加逻辑量子比特，或者进行差异化分组，从3×3、5×5再到7×7的物理量子位阵列，错误率都没有上升，而且它实际上一直在下降。 我们每一次增加尺寸，都会使错误率下降两倍。”

谷歌的量子硬件主管Julian Kelly称纠错是“量子计算机的终极游戏”，并补充到：“要明确的是，如果你没有低于阈值，那么进行量子纠错真的没有意义， 低于阈值是使这项技术成为现实的关键因素。”

在《自然》的研究论文中，研究人员写道：“虽然许多平台已经展示了量子纠错的不同特征，但没有一个量子处理器明确显示出低于阈值的性能。”他们补充说，量子计算容错需要的不仅是原始性能，还需要随着时间的推移保持稳定性，消除诸如泄漏之类的错误来源，并提高传统处理器的性能。而超导量子比特的操作时间从几十纳秒到几百纳秒不等，这在速度上提供了优势，但也对快速准确地解码错误提出了挑战。

Kelly在发布会上称，Willow纠错能力提升的关键是芯片中改进的量子比特，她说：“Willow集成了Sycamore的所有优点，在此基础上有了更好且更多的量子比特。”

在《自然》杂志的论文中，研究人员指出了Willow带来的提升，如T1（衡量量子比特保持激发态的时间）和T2的改进，他们将其归因于更好的制造技术、比率工程和电路参数优化。研究人员还注意到Willow在解码方面的改进，其使用了两种离线高精度解码器。

Kelly补充说，此前的Sycamore是在加州大学圣巴巴拉分校的一间共享洁净室里研发的，而建造自己的实验室为谷歌的研究人员提供了更多的工具和更强的能力，Willow就是在谷歌自己的实验室里研发的，实验室内重新设计的内部电路有助于改善T1和比率工程。

除了纠错功能，谷歌研究人员还使用随机电路采样（RCS）基准测试了Willow的性能， RCS是当前量子计算机可以完成的最难的基准测试。谷歌量子实验室创始人兼负责人Hartmut Neven在宣布推出这款芯片时说， 通过基准测试可以确定量子系统是否在做经典计算机做不到的事情。

2019年，通过RCS基准测试显示，最快的传统计算机也需要一万年才能完成Sycamore所能完成的工作。而Willow出现后， 其在五分钟内完成的计算将需要橡树岭国家实验室中拥有1.68exaflops性能的超级计算机耗费10²⁵年才能完成。

Kelly称：“Willow性能跃升的关键不仅在于基于Sycamore进行改进，更重要的是它的工作集成了所有部件。量子比特本身的质量必须足够好，纠错才能启动，而我们的纠错展示表明， 在集成系统层面，一切都能同时工作。 从量子比特数量、T1到双量子比特错误率，一切都在同时起作用，而协作正是这项挑战长期以来难以攻克的原因之一。”

Neven称："芯片的所有组件，如单量子比特门和双量子比特门、复位比特和读出比特，都必须同时精心设计和集成。如果任何组件落后或两个组件不能很好地协同工作，都会拖累系统整体性能。因此，从芯片架构和制造到栅极开发和校准，最大限度地提高系统性贯穿于我们流程的方方面面。 Willow的突破是对量子计算系统的整体评估，而不局限于评估一个因素。”

实验室主任兼首席运营官Charina Chou在发布会上说，虽然迄今为止的量子发现令人兴奋，但这些成果还是可以用传统计算机来完成。因此，我们面临的下一个挑战是： 量子计算能否展现出彻底颠覆传统计算机的性能？ 还没有人在中型量子计算（NISQ，指有50-100量子比特的规模）时代展示过这样的成果。

这是包括亚马逊、微软、IBM和众多初创公司在内的其他厂商也在追求的目标，谷歌希望Willow是实现这一目标的「关键一跃」。

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