量子計(jì)算機(jī)賽道里，擠滿了巨頭和初創(chuàng)公司。由于量子計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行工作負(fù)載，解決現(xiàn)階段即使是最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)都無(wú)法解決的問(wèn)題，因此在全球范圍內(nèi)，量子計(jì)算市場(chǎng)正高速增長(zhǎng)，數(shù)十億美元流入這個(gè)領(lǐng)域。

由于這項(xiàng)技術(shù)尚處于早期階段，量子計(jì)算帶來(lái)的收入仍然比支出少很多倍，而且真正的量子計(jì)算機(jī)何時(shí)出現(xiàn)仍然存在爭(zhēng)議。構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)面臨許多難題，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是「量子糾錯(cuò)」。

量子比特是量子計(jì)算的基本運(yùn)算單元，即量子系統(tǒng)的組成部分，它對(duì)溫度波動(dòng)、電磁輻射和振動(dòng)等一系列外界干擾都非常敏感。而量子糾錯(cuò)作為保護(hù)量子比特不受錯(cuò)誤影響的一系列技術(shù)，對(duì)于確保量子計(jì)算的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

位于加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室的研究人員表示，他們已經(jīng)解決了量子系統(tǒng)糾錯(cuò)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這是科學(xué)家們?nèi)陙?lái)一直試圖破解的問(wèn)題。在一個(gè)系統(tǒng)中使用的量子比特越多，錯(cuò)誤就會(huì)越多，而量子計(jì)算的發(fā)展需要滿足的另一個(gè)必要條件是系統(tǒng)擴(kuò)展的能力，但錯(cuò)誤與量子比特?cái)?shù)量成正比無(wú)疑對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展造成了阻礙。

谷歌實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Michael Newman表示，糾錯(cuò)需要將許多物理量子比特聚集到一起，讓它們協(xié)同工作，從而形成一個(gè)邏輯量子比特以實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)。

Newman在一次視頻采訪中告訴記者和分析師：“我們希望，隨著這些量子比特的集合越來(lái)越大，糾錯(cuò)的次數(shù)越來(lái)越多，實(shí)現(xiàn)量子比特越來(lái)越準(zhǔn)確。問(wèn)題是，隨著量子比特的集合變得越來(lái)越大，也會(huì)有更多的錯(cuò)誤出現(xiàn)，所以我們需要足夠好的設(shè)備，這樣當(dāng)我們把集合做大時(shí)，糾錯(cuò)才可以克服這些額外錯(cuò)誤?！?/p>

20世紀(jì)90年代，「量子糾錯(cuò)閾值」概念被提出，其想法是如果量子比特足夠好，那么隨著系統(tǒng)變得更大，這些物理量子比特組也可以變大，而且不會(huì)出現(xiàn)額外錯(cuò)誤。谷歌表示，這是一個(gè)三十年的目標(biāo)，直到現(xiàn)在還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

本周在《自然》雜志上，谷歌介紹了最新的量子芯片Willow，其前身是谷歌旗下的Sycamore量子處理器。在使用72量子比特和105量子比特的Willow處理器實(shí)驗(yàn)中，谷歌的研究人員測(cè)試了越來(lái)越大的物理量子位陣列，即邏輯量子比特，這些陣列大小從3×3、5×5到7×7不等，每次邏輯量子位的尺寸增加，都能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤率「不增反降」。

Newman稱：“每次我們?cè)黾舆壿嬃孔颖忍?，或者進(jìn)行差異化分組，從3×3、5×5再到7×7的物理量子位陣列，錯(cuò)誤率都沒(méi)有上升，而且它實(shí)際上一直在下降。我們每一次增加尺寸，都會(huì)使錯(cuò)誤率下降兩倍?！?/strong>

谷歌的量子硬件主管Julian Kelly稱糾錯(cuò)是“量子計(jì)算機(jī)的終極游戲”，并補(bǔ)充到：“要明確的是，如果你沒(méi)有低于閾值，那么進(jìn)行量子糾錯(cuò)真的沒(méi)有意義，低于閾值是使這項(xiàng)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵因素。”

在《自然》的研究論文中，研究人員寫(xiě)道：“雖然許多平臺(tái)已經(jīng)展示了量子糾錯(cuò)的不同特征，但沒(méi)有一個(gè)量子處理器明確顯示出低于閾值的性能。”他們補(bǔ)充說(shuō)，量子計(jì)算容錯(cuò)需要的不僅是原始性能，還需要隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定性，消除諸如泄漏之類的錯(cuò)誤來(lái)源，并提高傳統(tǒng)處理器的性能。而超導(dǎo)量子比特的操作時(shí)間從幾十納秒到幾百納秒不等，這在速度上提供了優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)快速準(zhǔn)確地解碼錯(cuò)誤提出了挑戰(zhàn)。

Kelly在發(fā)布會(huì)上稱，Willow糾錯(cuò)能力提升的關(guān)鍵是芯片中改進(jìn)的量子比特，她說(shuō)：“Willow集成了Sycamore的所有優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上有了更好且更多的量子比特?！?/p>

在《自然》雜志的論文中，研究人員指出了Willow帶來(lái)的提升，如T1（衡量量子比特保持激發(fā)態(tài)的時(shí)間）和T2的改進(jìn)，他們將其歸因于更好的制造技術(shù)、比率工程和電路參數(shù)優(yōu)化。研究人員還注意到Willow在解碼方面的改進(jìn)，其使用了兩種離線高精度解碼器。

Kelly補(bǔ)充說(shuō)，此前的Sycamore是在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一間共享潔凈室里研發(fā)的，而建造自己的實(shí)驗(yàn)室為谷歌的研究人員提供了更多的工具和更強(qiáng)的能力，Willow就是在谷歌自己的實(shí)驗(yàn)室里研發(fā)的，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重新設(shè)計(jì)的內(nèi)部電路有助于改善T1和比率工程。

除了糾錯(cuò)功能，谷歌研究人員還使用隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試了Willow的性能， RCS是當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)可以完成的最難的基準(zhǔn)測(cè)試。谷歌量子實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人Hartmut Neven在宣布推出這款芯片時(shí)說(shuō)，通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)試可以確定量子系統(tǒng)是否在做經(jīng)典計(jì)算機(jī)做不到的事情。

2019年，通過(guò)RCS基準(zhǔn)測(cè)試顯示，最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也需要一萬(wàn)年才能完成Sycamore所能完成的工作。而Willow出現(xiàn)后，其在五分鐘內(nèi)完成的計(jì)算將需要橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中擁有1.68exaflops性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)耗費(fèi)102?年才能完成。

Kelly稱：“Willow性能躍升的關(guān)鍵不僅在于基于Sycamore進(jìn)行改進(jìn)，更重要的是它的工作集成了所有部件。量子比特本身的質(zhì)量必須足夠好，糾錯(cuò)才能啟動(dòng)，而我們的糾錯(cuò)演示表明，在集成系統(tǒng)層面，一切都能同時(shí)工作。從量子比特?cái)?shù)量、T1到雙量子比特錯(cuò)誤率，一切都在同時(shí)起作用，而協(xié)作正是這項(xiàng)挑戰(zhàn)長(zhǎng)期以來(lái)難以攻克的原因之一。”

Neven稱："芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、復(fù)位比特和讀出比特，都必須同時(shí)精心設(shè)計(jì)和集成。如果任何組件落后或兩個(gè)組件不能很好地協(xié)同工作，都會(huì)拖累系統(tǒng)整體性能。因此，從芯片架構(gòu)和制造到柵極開(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)，最大限度地提高系統(tǒng)性貫穿于我們流程的方方面面。Willow的突破是對(duì)量子計(jì)算系統(tǒng)的整體評(píng)估，而不局限于評(píng)估一個(gè)因素?！?/strong>

實(shí)驗(yàn)室主任兼首席運(yùn)營(yíng)官Charina Chou在發(fā)布會(huì)上說(shuō)，雖然迄今為止的量子發(fā)現(xiàn)令人興奮，但這些成果還是可以用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)完成。因此，我們面臨的下一個(gè)挑戰(zhàn)是：量子計(jì)算能否展現(xiàn)出徹底顛覆傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能？還沒(méi)有人在中型量子計(jì)算（NISQ，指有50-100量子比特的規(guī)模）時(shí)代展示過(guò)這樣的成果。

這是包括亞馬遜、微軟、IBM和眾多初創(chuàng)公司在內(nèi)的其他廠商也在追求的目標(biāo)，谷歌希望Willow是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的「關(guān)鍵一躍」。

本文由雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))編譯自：https://www.nextplatform.com/2024/12/09/google-claims-quantum-error-correction-milestone-with-willow-chip/

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