谷歌量子芯片有多强破解量子纠错难题

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2024-12-13 09:36:04 中国电子报

谷歌量子芯片有多强！当地时间12月9日，谷歌公布了其最新超导量子计算芯片Willow。在随机电路采样（RCS）基准测试中，Willow在5分钟内完成了当前最强大的超级计算机之一需要10²⁵年才能完成的计算任务。这一消息由谷歌首席执行官桑达尔·皮查伊在社交平台上发布，并收到了SpaceX创始人马斯克和OpenAI首席执行官奥特曼的留言互动。皮查伊与马斯克还讨论了利用星舰在太空构建量子集群的可能性。

谷歌量子芯片有多强

Willow不仅在RCS基准测试中取得了惊人的成绩，在量子纠错、相干时间、系统工程等方面也取得了突破性进展。特别是在量子纠错领域，谷歌量子AI团队解决了困扰该领域近30年的关键问题。错误率一直是量子计算的主要挑战之一。相比标准计算机CPU每十亿次到每万亿次的错误率，量子计算机的错误率要高得多。当前最先进的量子计算机的错误率通常在1%~0.1%之间。

谷歌量子芯片有多强破解量子纠错难题

1995年，麻省理工学院应用数学教授彼得·肖尔提出了量子纠错理论，核心思想是将多个物理量子比特编码为逻辑量子比特，以检测并纠正某些错误。基于这一理念，各种类型的量子纠错代码被陆续提出，其中表面码被认为具有较高的工程实现价值。表面码是一种拓扑纠错码，用二维量子比特点阵编码逻辑量子比特，具有较高的纠错阈值。表面码只需要近邻耦合，对错误率的阈值要求较低，尽管其编码效率不高，但已成为目前最具工程实现价值的编码方法之一，特别适合超导量子芯片。

谷歌Willow的关键进展在于实现了逻辑量子比特以低于量子纠错阈值的错误率运行。这意味着随着量子比特数量的增加，错误率会逐渐降低。谷歌团队测试了从3x3到5x5再到7x7的物理量子比特阵列，错误率依次减半。这使得Willow能够在扩大量子比特数量的同时降低错误率，并首次在超导量子系统实现实时纠错，使错误能够在对计算产生破坏之前就被纠正。

除了在量子纠错方面的显著进展，Willow还在基础测试中展现出更强的计算能力和相干时间。凭借105个量子比特，Willow在RCS基准测试中，以不到五分钟的时间完成了一项计算，而当前最快的超级计算机之一需要10的25次方年才能完成同一任务。谷歌量子AI创始人哈特穆特·乃文表示，Willow的RCS测试结果为量子计算发生在多个平行宇宙的观点提供了可信度。

Willow还将量子相干时间提高了5倍，达到100微秒，是Sycamore的5倍。这意味着Willow能够维持更长的计算“工作时间”，完成更多的计算。Willow的性能跃升离不开制造技术的进步，芯片的生产是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工厂完成的。设计和制造量子芯片时，系统工程是关键，所有组件都必须经过精细的设计和集成。

面向未来的发展，量子计算芯片的下一个挑战是在实际应用中展现“有用、超越经典”的计算。谷歌的目标是在踏入经典计算机无法企及且对现实世界、商业相关问题有用的算法领域。

(责任编辑：卢其龙 CN070)

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