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谷歌量子芯片引爆熱議:5分鐘算完102?年任務(wù),Nature加急發(fā)表

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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

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