谷歌量子芯片引爆热议：5分钟算完10²⁵年任务，Nature加急发表

鱼羊 西风 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

全球科技圈都在为Sora疯狂，马斯克却轻轻给谷歌点了个赞（doge）。

就在OpenAI“双12”第三天，谷歌在前沿科技的另一极出手了：

发布最新量子芯片，5分钟内完成当今最快超级计算机之一需要10²⁵年才能完成的计算！

怎么说10²⁵这事儿呢，就是……

10000000000000000000000000，10亿亿亿年。

这一成果由谷歌CEO皮猜本人亲自在官宣，并已在Nature上加急发表。

连刚下直播的奥特曼和OpenAI总裁Brockman，也现身道贺：

据Nature消息，我国量子领域大拿陆朝阳也对此评价称：

这项工作展现了真正非凡的技术突破。

新芯片名为Willow，拥有105个量子比特，在量子纠错和随机电路采样两个基准测试中，都达到了SOTA，实现两项重大成就：

• 随着量子比特的增加，Willow可以实现指数级的错误率降低——这是量子纠错领域30年来一直试图解决的关键挑战。
• Willow在5分钟内，完成当今最快超级计算机之一需要10²⁵年才能完成的计算，数字远超宇宙年龄。

官方公告中，甚至还由此开启了对平行宇宙学说的新讨论……

它证实了David Deutsch做出的预测：量子计算发生在许多平行宇宙中，这与我们生活在多元宇宙中的观点是一致的。

来看具体细节。

5分钟完成10²⁵年计算

错误是量子计算面临的最大的挑战之一。

简单来说，量子比特利用叠加态来进行计算，对环境扰动极其敏感，这就意味着它们很难保护完成计算所需的信息。

并且通常，量子比特越多，发生的错误就越多。这会使得系统越来越“经典”，即不再具备量子系统的特性。

因此，控制错误率，让错误率低于某个阈值，是量子计算大规模应用的一个非常重要的前提。而现在，谷歌的Willow实现了错误率的指数级降低——

首次达成“低于阈值”的里程碑成就。

Google Quantum AI的创始人&负责人Hartmut Neven对此进一步解释说：

作为第一个低于阈值的系统，这是迄今为止最令人信服的可扩展逻辑量子比特原型。
这项成果表明，有用的、规模非常大的量子计算机真的可以造出来。
Willow让我们更接近用量子计算机运行实用的、与商业相关的算法，并且这些算法是无法用经典计算机解决的。

具体来说，谷歌在两个超导量子处理器上实现了低于阈值的表面码量子存储器：

72量子比特处理器，表面码码距为5；

105量子比特处理器，表面码码距为7。

表面码是指一种基于二维阵列结构的量子纠错编码方案。

一方面，Willow的量子比特数达到105，相较之下，谷歌此前达成量子优越性成就的“悬铃木”仅包含53个量子比特。

另一方面，更重要的是，随着他们将表面码从码距3扩展到码距5、7时，通过增加物理量子比特，谷歌实现了逻辑量子比特错误率的指数级下降。

同时，研究人员提到，Willow中逻辑量子比特的寿命比组成它们的量子比特寿命要长得多，能达到2.4±0.3倍。

这就意味着，通过正确的纠错技术，量子计算机可以随着规模的扩大，以越来越高的精度进行计算。这为实现大规模容错量子计算奠定了基础。

这里附上有关“逻辑量子比特”和“物理量子比特”的背景小知识：
物理量子比特是量子计算机中实际的硬件组成，通常由超导电路、离子阱、光子等物理系统实现。
逻辑量子比特是由多个物理量子比特通过量子纠错编码构成的抽象信息单元，不直接对应物理组件。

研究人员采用随机电路采样（RCS）基准来测试Willow的性能——对，还是当时用来评价悬铃木的那一套。

Willow的表现是：在5分钟内，完成了现今最快的超级计算机之一需要10²⁵年才能完成的计算。

Nature对此的评价是：目前的量子计算机对于大多数商业和科学应用来说太小且太容易出错，现在，Willow达成了构建足够明确、有用的量子计算机的关键里程碑。

以下是Willow的关键规格表：

不过，需要说明的是，Willow依然没有在实际应用测试中展现超越经典计算机的能力。

除了RCS基准测试之外，研究人员也在该系统中做了其他实验模拟，但这些实验结果仍然没有超出经典计算机的能力范围。

值得注意的是，这张路线图横轴以“商业相关性”为坐标，量子机器学习、量子化学模拟被划分在最有可能商业应用的象限。

网友就“平行宇宙”展开热议

还有一点引起网友关注的是，谷歌的官方Blog介绍中有提到：

Willow在不到五分钟的时间内完成了一项计算，而今天最快的超级计算机则需要10²⁵年。如果要写出来，那就是10000000000000000000000000年。
这个令人难以置信的数字超出了物理学中已知的时间尺度，远远超过了宇宙的年龄。
它为量子计算发生在许多平行宇宙中的观点提供了支持，这与David Deutsch所预测的“我们生活在多元宇宙”的观点一致。

看到这段话，网友们感到很惊讶：

量子计算领域的人真的认为我们是在从其它宇宙借用计算能力来完成这些计算吗？

有网友表示，论文中并没有类似的表述：

在Blog中这样说，只是为了炒作。

也有网友反对这种说法：

量子计算在多个宇宙中完成，这是量子计算之父David Deutsch提出来的解释。他发明了量子计算机的概念来检验平行宇宙的想法。
如果你对从无中产生一个宇宙没有异议，那么你也应该能够很好地处理平行宇宙。

随后更多人加入其中，讨论一度激烈。

但正如网友所说，无论如何，目前尚无科学方法来证伪或证实。

关于Google Quantum AI

这项具有突破性的研究，论文署名为Google Quantum AI及其合作者，包括但不限于：

Google Quantum AI团队创始人兼负责人Hartmut Neven、量子计算理论首席科学家Sergio Boixo等，其中还有不少华人学者的身影。

完整名单如下：

Google Quantum AI 2012年成立，他们使命是为当前无法解决的问题构建量子计算。

其量子计算方法涵盖了从量子处理器、控制和解码硬件、低温恒温器到操作系统和用户界面软件等所有硬件和软件组件的无缝整合。

团队也是一个硬件+软件的多元化、多学科团队。

创始人兼负责人Hartmut Neven，于1996年获得波鸿鲁尔大学的博士学位，曾是南加州大学计算机科学和理论神经科学的研究教授。

加入谷歌前，Neven曾共同创立了两家公司——Eyematic和Neven Vision，均有关于面部识别技术；加入谷歌后，担任谷歌视觉搜索团队负责人。

2006年，Neven开始探索一个新的idea——用量子计算来加快机器学习的速度，之后催生了谷歌AI量子团队。

Neven也是“Neven定律”的提出者。该定律认为，量子计算机解决某些特定问题的速度将以双指数的速度提升，这一速度远超过传统计算机在相同问题上通过摩尔定律提升的速度。

△Hartmut Neven

在量子计算上，谷歌的攻坚是一场从零开始的科研马拉松。

Neven 2012年共同创立了谷歌AI量子团队后，2014年，美国物理学会院士John Martinis加入了谷歌，担任谷歌量子硬件首席科学家，领导构建量子计算机的工作。

再两年后，量子计算理论首席科学家Sergio Boixo在Nature Communications上发表了相关论文，最终将团队的工作重点聚焦到了量子优势性计算任务上来。

但即便对于谷歌这样的明星团队来说，这项工作也一样是巨大的挑战。

直到2019年，谷歌首次实现量子优越性Quantum Supremacy，轰动圈内外。

就是那个量子计算200秒=地球最强超算1万年的突破，53个量子比特的处理器Sycamore在200秒内，完成了超级计算机需要1万年才能算完的任务。

论文直接登上Nature 150周年纪念特刊、各大主流媒体头版头条、热度全网第一。

之后，Hartmut Neven又带领团队进行持续性研究，一箩筐研究被Nature、Science等各大顶刊收录。

如今，Willow的发布再给大伙儿带来了亿点点震撼。

参考链接：
[1]https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-04028-3
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
[4]https://news.ycombinator.com/item?id=42367649
[5]https://x.com/elonmusk/status/1866170803051499874