一看就懂！為何說谷歌量子計算芯片突破了30年瓶頸？

有句話說，遇事不決，量子力學。

然而，谷歌在量子計算上的突破，讓調侃有了實現的可能。

近期，谷歌官宣了全新量子芯片Willow，擁有史上最多的105個量子比特。更重要的是，在量子比特增加之後，Willow反而控制住了錯誤率！

Willow實現了指數級錯誤率降低——量子糾錯領域30年來一直想解決的關鍵挑战。

Willow僅需五分鐘就可以搞定——當前頂級計算機需要10^25年才能完成的計算。

這再次證明了量子計算的巨大發展潛力，標志着量子計算技術進入了一個新的時代。

量子計算為何神通廣大？又要從一只貓說起

傳統計算機處理數據的基本單位是比特（bit），只能0或1，僅代表一個數；量子計算機的基本單位是量子比特（qubit），可以“既是0又是1”，例如40%概率是0；60%的概率是1……其信息會豐富很多。

現在，我們來復習“薛定諤的貓”。

設想一個封閉的盒子，其中包含：

1. 一只可憐的小貓。（瘋狂譴責薛定諤）

2. 一瓶毒藥。

3. 一個放射性原子，50%概率衰變，50%概率穩定。

如果原子衰變，會釋放毒藥，貓死；如果原子不衰變，貓活。

疊加態：貓“既活又死”→ 並行計算

根據疊加原理，當我們打开盒子之前，貓的狀態並不是“活”或“死”，而是“活和死的疊加態”；只有當我們觀察時，疊加態才會“坍縮”成一個確定的結果。

因為“既0又1”的疊加態，量子計算機可以在一次操作中，處理多個可能的結果。就像貓可以同時“活”和“死”。因此，量子計算機在特定任務中有着遠超傳統計算的 並行能力 。

糾纏態：貓咪命運相連 → 快速協作

假設盒子裏放了兩只貓，它們的命運會“糾纏”在一起：當我們打开盒子，如果發現一只貓活着，另一只貓也是活着，反之亦然。 這種量子糾纏意味着兩只貓的狀態密切相關。

類比一下，量子比特之間的“糾纏”能夠讓信息傳遞和計算效率成倍提升。例如，一個擁有n個糾纏量子比特的系統可以同時表達2^n種可能狀態，這是傳統計算機無法企及的速度。

坍縮：打开盒子見真相 → 找到答案

量子計算能夠利用疊加態篩選出正確結果，就像打开盒子時發現貓的最終狀態一樣，避免了傳統計算中冗長的“試探”。

現在，請你想象有一臺超級計算機，它的核心運作邏輯是無數“薛定諤的貓”。

傳統計算機：一個接一個地打开所有盒子，逐個查看貓是死是活。

量子計算機：讓成千上萬的貓一起進入“疊加態”，在所有“盒子”中同時工作，飛速找到正確答案。

一直以來，谷歌都是量子計算機的“領頭羊”。

2019年，谷歌研發53量子比特 量子計算機Sycamore實現了“量子霸權”——僅用200秒就完成了一項計算（隨機電路採樣基准測試），當時世界最快的超級計算機需要1萬年。谷歌CEO Pichai稱其為“萊特兄弟12秒的首飛”。

2024年，谷歌研發的全新量子芯片Willow，所選的定制問題依然是 隨機電路採樣 ，但其關鍵突破在於——實現了隨着量子比特數量增加，錯誤率指數級降低的目標，通過逐步擴大量子比特陣列規模，從3x3到5x5再到7x7，每次都能將錯誤率降低一半。

量子糾錯，這才是Willow的跨時代意義。

量子糾錯，給“量子貓”配備保鏢天團

在過去30年，量子計算存在一個根本性挑战：隨着量子比特數量的增加，錯誤率會急劇上升。

為何會這樣？我們繼續用“薛定諤的貓”打比方。

我以前想過，為什么薛定諤不用“狗”舉例呢？養了貓後才知道，因為貓很容易應激，狀態更“脆弱”。

同理，具備“奇妙”特性的量子態也容易“應激”——好比“盒子裏的貓”要應對外界幹擾，比如噪聲、振動——任何一個微小因素都可能導致狀態坍縮，計算失敗。

量子想要“糾纏”，就得保持波函數同步共振。然而，只要有一點幹擾進來，相幹性就會被破壞——芯片上的量子比特越多，相幹性就越不容易保持。

想實現量子糾錯，我們需要在不幹擾貓的前提下，持續監測它是否被外界影響，同時糾正錯誤。這聽起來很抽象，畢竟在量子世界，觀測本身就會影響系統。

過去30年，科學家們想盡辦法保護“量子貓”。

方法一：重復編碼——一貓變三貓

為了確保貓的狀態，科學家讓三只貓共同承擔“活與死”信息。如果一只貓狀態被幹擾，其他兩只可以決定正確的狀態。但問題是，量子誤差比經典比特誤差復雜得多，不止是0、1兩種狀態，而是所有疊加態。其糾纏特性會讓這種方法需要更多資源，導致系統復雜性增加。

方法二：拓撲量子碼——讓貓進“迷宮”

科學家發現，如果讓“貓”的量子態以一種拓撲結構存在（比如在迷宮中行走的軌跡），幹擾的影響會被限制在更小範圍內，而不會破壞整個系統。這種方法類似於讓貓的生存依賴整個環境，而非單個狀態。這種方法巧妙地利用了幾何結構，讓量子信息更穩定。

那么，Willow是如何從“越糾越錯”變成“越糾越對”呢？

其思路就是給“量子貓”配備保鏢天團。

在量子糾錯中，涉及將許多物理量子比特放在一起，讓它們協同工作，也就是通過創建一個“邏輯量子比特”(logical qubit)來糾正錯誤。3×3、5×5、7×7等組合被稱為“邏輯量子比特”。

1個中心位置的物理量子比特存儲 實際的量子信息 (數據比特)，周圍8個物理量子比特是輔助比特。因此，一個3×3排列實際只能存儲1個比特信息。

舉個例子，在《哈利波特與死亡聖器》中，鳳凰社為了將哈利轉移到安全的地方，想出了“7個哈利”轉移計劃。其他6個人“變形”成“假哈利”，護送“真哈利”衝出食死徒的重圍。

其中，“真哈利”就是“脆弱”的量子信息(數據比特)；其他位置的“假哈利”是輔助比特。

這一突破在業界被稱為“低於閾值”——在增加量子比特數量的同時降低錯誤。

谷歌研究人員寫道：“雖然許多平臺已經展示了量子糾錯的不同特性，但至今沒有一個量子處理器明確地表現出低於閾值的性能。”

你的比特幣很安全，商業用途道阻且長

谷歌官宣Willow後，最緊張的當屬比特幣玩家。一旦量子計算機的恐怖算力投入通用計算領域，你的加密幣錢包直接裸奔。

不過，大家可以放心，量子計算距離任何商業用途仍有很長的路要走。

如同2019年量子計算機Sycamore，2024年的Willow芯片選擇的基准測試依然是隨機電路採樣（RCS）。

換句話說，隨機電路採樣是一個為量子計算機量身定做的問題。這個實驗的意義並非結果的實用性，而是為了證明——在某些特定問題上，量子計算機對傳統計算機具有壓倒性優勢。

舉個不太恰當的例子，Willow就像“棋王”AlphaGo，棋藝天下第一，但只會下棋。

谷歌CEO Pichai在X發文稱：“Willow是我們構建一臺能夠在藥物發現、聚變能源、電池設計等領域具有實際應用的實用量子計算機旅程中的重要一步。”

另外，量子計算看似是AI算力短缺的解藥。但是，大模型的訓練本就是黑盒模式，會受到互聯網上的錯誤數據影響。量子計算芯片本身也存在錯誤率，疊加之下可能“錯上加錯”，影響大模型訓練和推理的精確度。

因此，大家可以展望未來，焦慮就大可不必了。