谷歌量子芯片的突破点在哪儿

◎本报记者 刘 霞

编者按 谷歌推出突破性量子芯片、我国超导量子计算机“祖冲之三号”亮相……近期，国内外量子计算领域成果频出。为帮助读者更好了解这一前沿技术发展动态，本版今起推出“解读量子计算新进展”系列报道，介绍量子计算的技术突破、研究方向及未来应用潜力。

在通往实用纠错量子计算机的征途上，科学家们再下一城。

前不久，美国谷歌公司发布最新量子芯片“威洛”（Willow），称其在计算速度和纠错能力方面取得“两个重大进步”，不到5分钟就完成了当今领先的超级计算机需要1025年才能完成的任务，为研制实用的大规模量子计算机奠定了坚实基础。

消息一出，立即引起广泛关注。美国太空探索技术公司首席执行官埃隆·马斯克和开放人工智能研究中心（OpenAI）首席执行官萨姆·奥尔特曼，也为“威洛”的面世点赞。

何为量子芯片？在科技界掀起如此波澜的“威洛”究竟是否有“真才实学”？科技日报记者近日采访相关专家，对量子计算一探究竟。

大规模并行计算有优势

“量子芯片是利用量子纠缠和量子叠加等量子力学原理进行信息处理的核心部件。”上海交通大学集成量子信息技术研究中心（IQIT）主任金贤敏对记者解释道，“传统芯片基于经典物理学原理，基本信息处理单位为比特，每个比特只能取值0或1；而量子芯片的基本信息处理单位为量子比特，每个量子比特可以为0或1，或两者的叠加态。这种叠加态的存在使量子芯片能够在同一时间处理多种数据，从而比传统芯片更快、更高效地解决某些复杂问题。”

根据量子力学原理，量子纠缠是指两个或多个粒子在相互作用后，它们的状态变得紧密相关，以至于一个粒子的状态变化会瞬间影响到与之纠缠的其他粒子的状态，无论这些粒子相距多远。金贤敏介绍：“量子纠缠使量子芯片在处理信息时具有更强的关联性和协同性。量子叠加和量子纠缠使量子芯片在处理大规模并行计算时具有显著优势，能够实现更快的计算速度和更强的信息安全性。”

“威洛”由谷歌量子人工智能（AI）部门研发，内含105个物理超导量子比特。该部门负责人哈特穆特·内文在公司官网撰文称，“威洛”是部门十几年辛勤研发的结晶，是公司目前最强大的超导量子芯片。

内文称，在设计和制造量子芯片时，系统工程是关键。为达到最佳性能，他们对芯片的所有组件，如单量子比特和双量子比特门、量子比特重置和读出，都进行了良好的设计和集成。此外，他们还集成了一个持续监控系统，其能实时检测“威洛”内可能导致错误的干扰，并自动干预，以维持计算过程的完整性和精确性。

谷歌量子AI部门硬件总监朱利安·凯利说，在他们的精心打磨下，“威洛”取得了两个重大进步：一是纠错能力显著提升，二是解决特定问题运算速度更快。

纠错能力显著提高

研究团队在发表于《自然》的论文中称，“威洛”首次实现了低于表面码阈值的量子纠错。中国科学技术大学教授陆朝阳在接受《自然》采访时称其为“一项真正了不起的技术突破”。

那么，什么是量子纠错？

尽管量子计算机有潜力实现超高速运算，但量子比特异常敏感，导致量子计算机极易出错。而且，量子比特的数量越多，出错的可能性越高。这种极高的易错性，成为阻碍量子计算走向“星辰大海”的最大“拦路虎”。

一个解决方案是量子纠错，即通过把多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特，来降低出错率。这一方法由美国科学家、量子计算先驱彼得·肖尔于1995年首次提出，此后科学家提出了许多不同的编码方案。谷歌论文中提到的“表面码”，就是一种常用的量子纠错方法。

量子纠错表面码由俄裔美国物理学家、加州理工学院物理系教授阿列克谢·基塔耶夫提出，即用大约2d2（d为码距）个物理量子比特形成二维量子比特阵列，从而编码一个逻辑量子比特。表面码就像一个特殊的“保护罩”，用来保护量子信息，使其不受干扰。码距越大，保护的能力就越强，而需要的物理量子比特也就越多。例如，谷歌这次就用了105个物理量子比特，来编码一个码距为7的逻辑量子比特。

物理量子比特与逻辑量子比特之间的关系，如同砖块与墙壁。要想让逻辑量子比特的“墙壁”建得好，作为“砖块”的物理量子比特就要少出错。其出错率必须低于一个特定阈值，否则只会“越纠越错”。

而“威洛”实现了“越纠越对”。谷歌团队的最新研究表明，“威洛”中逻辑量子比特的数量每增加一次，错误率就会降低一半。也就是说，码距为7的错误率是码距为5的一半；码距为5的错误率是码距为3的一半，以此类推。目前，研究团队只展示到码距为7的情况。

内文认为，这一成果标志着“威洛”实现了低于量子纠错阈值运行，即在增加量子比特数量的同时，能够降低错误率，而且是指数级降低错误率。这是构建足够精确且实用的量子计算机的关键里程碑。在此基础上，他们可以不断增加量子比特的数量，制造越来越大、越来越复杂的量子计算机，并让其在运行计算方面变得越来越好。

特定领域运算更快

凯利称，“威洛”取得的第二大进展是在解决特定问题时运算速度更快。

随机电路采样（RCS）基准被广泛用于量子计算领域，是当今量子计算机可完成的难度最高的经典基准。基于该基准，研究团队让“威洛”与世界上最强大的超级计算机之一Frontier（前沿）进行了对决。结果显示，“威洛”不到5分钟完成的计算，Frontier将需要1025年才能完成，这一时间是宇宙年龄138亿年的700多万亿倍。

凯利认为，这一结果显示出在某些应用中，经典计算和量子计算之间指数级的差距。

5分钟与1025年，如此悬殊的数字对比引起了极大关注。有人不禁遐想，这是否意味着可以用“威洛”高效地挖比特币、运行大模型？对此，陆朝阳在此前发布的视频中解释：“实际上，谷歌在这项研究中展示的算力并非通用算力，而是只针对RCS这一特定数学问题的专用算力。”

英国萨里大学计算机专家艾伦·伍德沃德在接受英国媒体采访时也提醒，不要夸大“威洛”在单一测试中的表现，测试结果并不意味着“威洛”相比传统计算机实现了全面提速。不过，他认为“威洛”在量子纠错能力上的提升，是一个“重要的里程碑”。

金贤敏则认为，量子计算机的发展不仅需要提升硬件的纠错能力，还需要结合当前含噪中等规模的量子硬件进行协同设计，充分发挥量子硬件的独特优势，并有针对性地开发创新的量子算法与计算范式，这也是推动量子硬件计算能力充分发挥的必要研究方向。