魚羊 西風(fēng) 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI

全球科技圈都在為Sora瘋狂，馬斯克卻輕輕給谷歌點(diǎn)了個(gè)贊（doge）。

就在OpenAI“雙12”第三天，谷歌在前沿科技的另一極出手了：

發(fā)布最新量子芯片，5分鐘內(nèi)完成當(dāng)今最快超級計(jì)算機(jī)之一需要102?年才能完成的計(jì)算！

怎么說102?這事兒呢，就是……

10000000000000000000000000，10億億億年。

這一成果由谷歌CEO皮猜本人親自在官宣，并已在Nature上加急發(fā)表。

連剛下直播的奧特曼和OpenAI總裁Brockman，也現(xiàn)身道賀：

據(jù)Nature消息，我國量子領(lǐng)域大拿陸朝陽也對此評價(jià)稱：

這項(xiàng)工作展現(xiàn)了真正非凡的技術(shù)突破。

新芯片名為Willow，擁有105個(gè)量子比特，在量子糾錯(cuò)和隨機(jī)電路采樣兩個(gè)基準(zhǔn)測試中，都達(dá)到了SOTA，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)重大成就：

• 隨著量子比特的增加，Willow可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級的錯(cuò)誤率降低——這是量子糾錯(cuò)領(lǐng)域30年來一直試圖解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
• Willow在5分鐘內(nèi)，完成當(dāng)今最快超級計(jì)算機(jī)之一需要102?年才能完成的計(jì)算，數(shù)字遠(yuǎn)超宇宙年齡。

官方公告中，甚至還由此開啟了對平行宇宙學(xué)說的新討論……

它證實(shí)了David Deutsch做出的預(yù)測：量子計(jì)算發(fā)生在許多平行宇宙中，這與我們生活在多元宇宙中的觀點(diǎn)是一致的。

來看具體細(xì)節(jié)。

5分鐘完成102?年計(jì)算

錯(cuò)誤是量子計(jì)算面臨的最大的挑戰(zhàn)之一。

簡單來說，量子比特利用疊加態(tài)來進(jìn)行計(jì)算，對環(huán)境擾動極其敏感，這就意味著它們很難保護(hù)完成計(jì)算所需的信息。

并且通常，量子比特越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。這會使得系統(tǒng)越來越“經(jīng)典”，即不再具備量子系統(tǒng)的特性。

因此，控制錯(cuò)誤率，讓錯(cuò)誤率低于某個(gè)閾值，是量子計(jì)算大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)非常重要的前提。而現(xiàn)在，谷歌的Willow實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級降低——

首次達(dá)成“低于閾值”的里程碑成就。

Google Quantum AI的創(chuàng)始人&負(fù)責(zé)人Hartmut Neven對此進(jìn)一步解釋說：

作為第一個(gè)低于閾值的系統(tǒng)，這是迄今為止最令人信服的可擴(kuò)展邏輯量子比特原型。
這項(xiàng)成果表明，有用的、規(guī)模非常大的量子計(jì)算機(jī)真的可以造出來。
Willow讓我們更接近用量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行實(shí)用的、與商業(yè)相關(guān)的算法，并且這些算法是無法用經(jīng)典計(jì)算機(jī)解決的。

具體來說，谷歌在兩個(gè)超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了低于閾值的表面碼量子存儲器：

72量子比特處理器，表面碼碼距為5；

105量子比特處理器，表面碼碼距為7。

表面碼是指一種基于二維陣列結(jié)構(gòu)的量子糾錯(cuò)編碼方案。

一方面，Willow的量子比特?cái)?shù)達(dá)到105，相較之下，谷歌此前達(dá)成量子優(yōu)越性成就的“懸鈴木”僅包含53個(gè)量子比特。

另一方面，更重要的是，隨著他們將表面碼從碼距3擴(kuò)展到碼距5、7時(shí)，通過增加物理量子比特，谷歌實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特錯(cuò)誤率的指數(shù)級下降。

同時(shí)，研究人員提到，Willow中邏輯量子比特的壽命比組成它們的量子比特壽命要長得多，能達(dá)到2.4±0.3倍。

這就意味著，通過正確的糾錯(cuò)技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)可以隨著規(guī)模的擴(kuò)大，以越來越高的精度進(jìn)行計(jì)算。這為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

這里附上有關(guān)“邏輯量子比特”和“物理量子比特”的背景小知識：
物理量子比特是量子計(jì)算機(jī)中實(shí)際的硬件組成，通常由超導(dǎo)電路、離子阱、光子等物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
邏輯量子比特是由多個(gè)物理量子比特通過量子糾錯(cuò)編碼構(gòu)成的抽象信息單元，不直接對應(yīng)物理組件。

研究人員采用隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)來測試Willow的性能——對，還是當(dāng)時(shí)用來評價(jià)懸鈴木的那一套。

Willow的表現(xiàn)是：在5分鐘內(nèi)，完成了現(xiàn)今最快的超級計(jì)算機(jī)之一需要102?年才能完成的計(jì)算。

Nature對此的評價(jià)是：目前的量子計(jì)算機(jī)對于大多數(shù)商業(yè)和科學(xué)應(yīng)用來說太小且太容易出錯(cuò)，現(xiàn)在，Willow達(dá)成了構(gòu)建足夠明確、有用的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵里程碑。

以下是Willow的關(guān)鍵規(guī)格表：

不過，需要說明的是，Willow依然沒有在實(shí)際應(yīng)用測試中展現(xiàn)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力。

除了RCS基準(zhǔn)測試之外，研究人員也在該系統(tǒng)中做了其他實(shí)驗(yàn)?zāi)M，但這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然沒有超出經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍。

值得注意的是，這張路線圖橫軸以“商業(yè)相關(guān)性”為坐標(biāo)，量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)模擬被劃分在最有可能商業(yè)應(yīng)用的象限。

網(wǎng)友就“平行宇宙”展開熱議

還有一點(diǎn)引起網(wǎng)友關(guān)注的是，谷歌的官方Blog介紹中有提到：

Willow在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了一項(xiàng)計(jì)算，而今天最快的超級計(jì)算機(jī)則需要102?年。如果要寫出來，那就是10000000000000000000000000年。
這個(gè)令人難以置信的數(shù)字超出了物理學(xué)中已知的時(shí)間尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡。
它為量子計(jì)算發(fā)生在許多平行宇宙中的觀點(diǎn)提供了支持，這與David Deutsch所預(yù)測的“我們生活在多元宇宙”的觀點(diǎn)一致。

看到這段話，網(wǎng)友們感到很驚訝：

量子計(jì)算領(lǐng)域的人真的認(rèn)為我們是在從其它宇宙借用計(jì)算能力來完成這些計(jì)算嗎？

有網(wǎng)友表示，論文中并沒有類似的表述：

在Blog中這樣說，只是為了炒作。

也有網(wǎng)友反對這種說法：

量子計(jì)算在多個(gè)宇宙中完成，這是量子計(jì)算之父David Deutsch提出來的解釋。他發(fā)明了量子計(jì)算機(jī)的概念來檢驗(yàn)平行宇宙的想法。
如果你對從無中產(chǎn)生一個(gè)宇宙沒有異議，那么你也應(yīng)該能夠很好地處理平行宇宙。

隨后更多人加入其中，討論一度激烈。

但正如網(wǎng)友所說，無論如何，目前尚無科學(xué)方法來證偽或證實(shí)。

關(guān)于Google Quantum AI

這項(xiàng)具有突破性的研究，論文署名為Google Quantum AI及其合作者，包括但不限于：

Google Quantum AI團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人Hartmut Neven、量子計(jì)算理論首席科學(xué)家Sergio Boixo等，其中還有不少華人學(xué)者的身影。

完整名單如下：

Google Quantum AI 2012年成立，他們使命是為當(dāng)前無法解決的問題構(gòu)建量子計(jì)算。

其量子計(jì)算方法涵蓋了從量子處理器、控制和解碼硬件、低溫恒溫器到操作系統(tǒng)和用戶界面軟件等所有硬件和軟件組件的無縫整合。

團(tuán)隊(duì)也是一個(gè)硬件+軟件的多元化、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。

創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人Hartmut Neven，于1996年獲得波鴻魯爾大學(xué)的博士學(xué)位，曾是南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和理論神經(jīng)科學(xué)的研究教授。

加入谷歌前，Neven曾共同創(chuàng)立了兩家公司——Eyematic和Neven Vision，均有關(guān)于面部識別技術(shù)；加入谷歌后，擔(dān)任谷歌視覺搜索團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

2006年，Neven開始探索一個(gè)新的idea——用量子計(jì)算來加快機(jī)器學(xué)習(xí)的速度，之后催生了谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)。

Neven也是“Neven定律”的提出者。該定律認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)解決某些特定問題的速度將以雙指數(shù)的速度提升，這一速度遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在相同問題上通過摩爾定律提升的速度。

△Hartmut Neven

在量子計(jì)算上，谷歌的攻堅(jiān)是一場從零開始的科研馬拉松。

Neven 2012年共同創(chuàng)立了谷歌AI量子團(tuán)隊(duì)后，2014年，美國物理學(xué)會院士John Martinis加入了谷歌，擔(dān)任谷歌量子硬件首席科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的工作。

再兩年后，量子計(jì)算理論首席科學(xué)家Sergio Boixo在Nature Communications上發(fā)表了相關(guān)論文，最終將團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)聚焦到了量子優(yōu)勢性計(jì)算任務(wù)上來。

但即便對于谷歌這樣的明星團(tuán)隊(duì)來說，這項(xiàng)工作也一樣是巨大的挑戰(zhàn)。

直到2019年，谷歌首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性Quantum Supremacy，轟動圈內(nèi)外。

就是那個(gè)量子計(jì)算200秒=地球最強(qiáng)超算1萬年的突破，53個(gè)量子比特的處理器Sycamore在200秒內(nèi)，完成了超級計(jì)算機(jī)需要1萬年才能算完的任務(wù)。

論文直接登上Nature 150周年紀(jì)念特刊、各大主流媒體頭版頭條、熱度全網(wǎng)第一。

之后，Hartmut Neven又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行持續(xù)性研究，一籮筐研究被Nature、Science等各大頂刊收錄。

如今，Willow的發(fā)布再給大伙兒帶來了億點(diǎn)點(diǎn)震撼。

參考鏈接：
[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