谷歌Willow量子芯片逆天出世！5分鐘顛覆10億億億計算極限，馬斯克奧特曼驚嘆

新智元報道編輯：編輯部 HYj【新智元導(dǎo)讀】谷歌團隊再創(chuàng)量子計算里程碑！全新量子芯片Willow，僅用不到5分就完成了當(dāng)今最強超算，需要10^25年這個天文數(shù)字般的計算。困擾人類近30年量子計算糾錯問題，終于被攻克了！這一刻，注定將被載入史冊！今天，谷歌重磅推出全新的量子芯片——Willow（共105個量子比特），在AI圈掀起了海嘯級巨震。在一個標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計算任務(wù)，Willow用時不到5分鐘（300秒）神速完成。而如今，世界上最快超算Frontier要完成同樣任務(wù)，則需要10億億億年，也就是10，000，000，000，000，000，000，000，000年。這一天文般的數(shù)字，遠遠超過了宇宙的年齡（138億年）！Willow不僅僅是速度的勝利，更取得了量子計算領(lǐng)域決定性的技術(shù)突破——隨著量子比特數(shù)量的增加，這款芯片的誤差也呈指數(shù)級下降。這種精度提升的速率超出了一個關(guān)鍵閾值。這意味著，曾困擾量子計算近30年的糾錯問題，終于迎來曙光。谷歌量子團隊的最新研究，已經(jīng)刊登在今天的Nature期刊上。論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y原本，這又是OpenAI谷歌激烈交戰(zhàn)的一天，卻在?上呈現(xiàn)出一切祥和的另一面，劈柴奧特曼兩人開始了「商業(yè)互吹」。劈柴親自官宣這一消息后，奧特曼第一時間送上祝賀。他對此回應(yīng)道——「量子+AI的多重宇宙未來將至，也恭喜o1發(fā)布！」這邊，劈柴還暢想了與馬斯克星艦的聯(lián)動——有朝一日，我們應(yīng)該借助Starship在太空中建造一個量子集群。馬斯克回應(yīng)，這很可能實現(xiàn)。谷歌罕見地敞開了話匣子，在發(fā)布前特意召開媒體說明會。谷歌量子AI團隊的大佬們——創(chuàng)始人兼負責(zé)人Hartmut Neven、研究科學(xué)家Michael Newman、量子硬件主管Julian Kelly和總監(jiān)兼首席運營官Carina Chou，個個親自上陣，足見這項研究的分量。30年重大難題，谷歌再創(chuàng)歷史Willow是在谷歌位于圣巴巴拉的最先進制造設(shè)施中生產(chǎn)的——這是全球為數(shù)不多的、為量子芯片量身定制的、從零開始建的工廠之一。量子芯片的設(shè)計可不是簡單的拼拼圖，所有組件——從單比特門、雙比特門到量子比特復(fù)位和讀出——都需要精密設(shè)計與無縫集成，缺一不可。只要其中一個組件卡殼，整個系統(tǒng)就會掉鏈子。Willow目前有105個量子比特，在量子糾錯和隨機電路采樣這兩項基準(zhǔn)測試中表現(xiàn)出同類最佳的性能。值得一提的是，Willow的T1時間（量子比特保持激發(fā)狀態(tài)的時間）達到了近100微秒，比上一代約提升了5倍——這是量子計算的關(guān)鍵資源。如果想跨平臺比較量子硬件性能，以下是一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)：對于谷歌來說，Willow具有劃時代意義。它將成為構(gòu)建有用量子計算的第一步，未來在藥物發(fā)現(xiàn)、核聚變、電池設(shè)計等諸多領(lǐng)域中，帶去不可估量的研究潛力。首次實現(xiàn)「低于閾值」為了讓量子計算更可靠，谷歌將量子比特分組協(xié)同工作，以實現(xiàn)糾正錯誤。每個分組形成一個d×d的量子比特網(wǎng)格，稱為表面碼，每個表面碼代表一個編碼的或「邏輯」量子比特。隨著晶格的增大，系統(tǒng)能容忍的錯誤也更多，理論上邏輯量子比特的保護性和性能都會提高。隨規(guī)模增加的表面碼邏輯量子比特，每個都能夠比前一個糾正更多的錯誤；編碼的量子狀態(tài)存儲在數(shù)據(jù)量子比特陣列（黃色）上；測量量子比特（紅色、青色、藍色）用于檢測相鄰數(shù)據(jù)量子比特上的錯誤然而，增加晶格也意味著更多的出錯風(fēng)險。如果物理量子比特的錯誤率過高，額外增加的錯誤會多過糾正的錯誤，增加晶格反而可能拖慢處理器性能。只有當(dāng)錯誤率低到足夠的程度，錯誤糾正才能發(fā)揮作用，并實現(xiàn)指數(shù)級的錯誤率下降——這就是所謂的閾值。低于閾值時，量子錯誤糾正從有害變?yōu)橛幸妗Ｊ紫葘?shù)據(jù)量子比特（金色）初始化為一個已知狀態(tài)，并重復(fù)進行奇偶校驗檢查以檢測并標(biāo)記錯誤（紅色、紫色、藍色、綠色）；最后，測量數(shù)據(jù)量子比特并解碼測量數(shù)據(jù)，從而得到一個經(jīng)過錯誤糾正的邏輯測量結(jié)果谷歌的Willow芯片打破了這個瓶頸：它不僅增加了量子比特的數(shù)量，還成功減少了誤差，實現(xiàn)了誤差率的指數(shù)級下降。在Willow中，隨著量子比特從3×3的表面碼擴展到5×5、7×7，編碼錯誤率每次減少2.14倍，實現(xiàn)了誤差率的指數(shù)級下降。邏輯量子比特性能隨表面碼規(guī)模的擴展而提升：從3×3（紅色）擴展到5×5（藍綠色）再到7×7（藍色）時，邏輯錯誤概率大幅下降；Willow上的7×7邏輯量子比特的壽命是其最佳物理量子比特（綠色）的2倍，同時也是谷歌之前在Sycamore（灰色、黑色）上表面碼的20倍這個歷史性的成就被領(lǐng)域內(nèi)稱為「低于閾值」——即在擴展量子比特數(shù)量時，能夠降低誤差率。這是量子計算領(lǐng)域追求了近30年的里程碑。自1995年提出以來，「低于閾值」一直被認(rèn)為是構(gòu)建大規(guī)模量子計算機的關(guān)鍵。更重要的是，這是首個在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中進行實時誤差修正的成功案例——這一點對任何有用的計算至關(guān)重要，因為如果無法足夠快速地修正誤差，計算在完成之前就會被破壞。而且，這是首個「超越盈虧點」的演示，其中量子比特陣列的壽命超越了單個比特的壽命。這證明量子誤差修正確實有效，正在全面改善系統(tǒng)。Willow是首個「低于閾值」的系統(tǒng)，也是最強有力的可擴展量子比特原型，證明超大規(guī)模量子計算機真的能造。它讓我們離那些傳統(tǒng)計算機無法完成的實用算法更近了一大步！5分鐘計算，世界最快超算卻用10億億億年為了測試Willow的性能，研究團隊使用了隨機電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測試。RCS是當(dāng)前量子計算機上可以完成的計算中最難的基準(zhǔn)測試，可以將其視為量子計算的入門測試——它檢查量子計算機是否能做一些經(jīng)典計算機無法做到的事情。Willow在這個基準(zhǔn)上的表現(xiàn)令人震驚：它在不到五分鐘的時間內(nèi)完成了一個計算，而這個計算如果由今天最快的超級計算機Frontier來完成，將需要10^25年，也就是10，000，000，000，000，000，000，000，000年。這個令人難以置信的數(shù)字超出了物理學(xué)中已知的時間尺度，遠遠超過了宇宙的年齡。它支持了量子計算發(fā)生在多個平行宇宙中的觀點，這與我們生活在多元宇宙中的理論相一致，這一預(yù)測最早由大衛(wèi)·德意志提出。這些最新的Willow結(jié)果，如下圖所示，是迄今為止取得的的最佳成績，而且它還將繼續(xù)進步。計算成本受可用內(nèi)存的影響很大。因此，我們的估算考慮了多種情況，從理想的無限內(nèi)存環(huán)境（▲）到在GPU上實現(xiàn)的更實際、易于并行化的方案（?）研究團隊對Willow超越經(jīng)典超級計算機Frontier的評估，建立在保守假設(shè)之上，比如假設(shè)Frontier擁有無帶寬限制的二級存儲——這顯然是個不現(xiàn)實的理想假設(shè)。雖然經(jīng)典計算機會繼續(xù)進步，但快速擴大的差距表明，量子計算正以雙重指數(shù)級速度拉開差距，隨著規(guī)模擴大，量子計算機將繼續(xù)遙不可及地領(lǐng)先。300多人，12年心血Hartmut Neven在博客中寫道：「當(dāng)我在2012年創(chuàng)辦谷歌量子AI時，我們的愿景是構(gòu)建一臺實用的大規(guī)模量子計算機，利用量子力學(xué)——我們今天所理解的自然操作系統(tǒng)——來造福社會，推動科學(xué)發(fā)現(xiàn)、開發(fā)有益的應(yīng)用，并解決一些社會面臨的重大挑戰(zhàn)。」Willow，是這個長期愿景中關(guān)鍵的一步，也是朝著商業(yè)化量子計算邁進的重要里程碑。今天，谷歌量子AI團隊擁有約300名成員，并計劃擴展。他們還在加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）建立了自己的制造設(shè)施。如今，AI和量子計算都將被證明是我們這個時代最具變革性的技術(shù)。特別是，先進的AI技術(shù)將在量子計算的支持下取得顯著突破，而這也是谷歌將實驗室命名為Quantum AI的原因。正如在隨機電路采樣中所觀察到的，量子算法在基本的擴展定律（Scaling Law）上具有顯著優(yōu)勢。對于很多基礎(chǔ)的計算任務(wù)，這些擴展優(yōu)勢同樣適用，而這些任務(wù)對AI來說至關(guān)重要。因此，量子計算將在以下方面將不可或缺：收集經(jīng)典計算機無法獲取的訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練和優(yōu)化某些學(xué)習(xí)架構(gòu)建模量子效應(yīng)重要的系統(tǒng)具體來說，包括幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥物、設(shè)計更高效的電動車電池，以及加速聚變和新能源替代品的研究進展。這些未來改變游戲規(guī)則的應(yīng)用，有很多在經(jīng)典計算機上是無法實現(xiàn)的——它們都在等待通過量子計算來解鎖。展望未來一旦突破閾值，設(shè)備的小幅改進將通過量子糾錯被指數(shù)級放大。例如，雖然Willow的操作保真度大約是Sycamore的2倍，但其編碼錯誤率卻改善了大約20倍。能否構(gòu)建一個近乎完美的編碼量子比特？量子錯誤糾正現(xiàn)在看起來已經(jīng)初見成效，但從今天的千分之一錯誤率到未來所需的萬億分之一錯誤率之間仍然存在巨大差距。那么，會不會是我們遇到了新的物理現(xiàn)象，從而阻礙我們構(gòu)建量子計算機的進程呢？為了回答這個問題，谷歌開發(fā)了一種「重復(fù)碼」。與保護所有（局部）量子錯誤的表面碼不同，重復(fù)碼僅專注于比特翻轉(zhuǎn)錯誤，但效率更高。通過運行重復(fù)碼實驗并忽略其他錯誤類型，谷歌在采用許多與表面碼相同的錯誤糾正原則的同時，實現(xiàn)了更低的編碼錯誤率。通俗地講，重復(fù)碼就像一個先行偵察兵，用于驗證錯誤糾正是否能夠持續(xù)降低到最終需要的近乎完美的編碼錯誤率。在Willow上運行重復(fù)碼時，谷歌能夠?qū)崿F(xiàn)約100億次錯誤糾正循環(huán)而未發(fā)現(xiàn)任何錯誤。然而，當(dāng)嘗試通過進一步增加編碼規(guī)模來降低編碼錯誤率時，卻發(fā)現(xiàn)錯誤率停滯不前。重復(fù)碼性能隨重復(fù)碼規(guī)模的擴展而提升：與Sycamore相比，實現(xiàn)了10000倍的性能改進，但邏輯錯誤率在每循環(huán)約10?1?時達到了一個瓶頸如何提升糾錯量子計算機的速度？與正在使用的經(jīng)典設(shè)備相比，糾錯量子計算機的速度實際上非常之慢。即便是超導(dǎo)量子計算機——目前最快的量子比特技術(shù)之一，其測量時間也長達約一微秒。相比之下，經(jīng)典計算的亞納秒級操作時間則快了超過1000倍。而量子糾錯操作，就更慢了。部分原因在于，現(xiàn)在還需要依靠「量子錯誤解碼器」這一經(jīng)典軟件來解釋測量結(jié)果進而識別錯誤。在超導(dǎo)量子比特領(lǐng)域，谷歌首次展示了能夠與設(shè)備同步實時解碼測量信息的能力。但即使解碼速度能夠跟上設(shè)備，對于某些糾錯操作，解碼器仍可能拖慢整體速度。目前，谷歌在設(shè)備上測得解碼延遲時間為50至100微秒，并預(yù)計這種延遲會隨著晶格規(guī)模的增大而進一步增加。這種延遲可能會顯著影響糾錯操作的速度。如果想讓量子計算機成為一種能夠用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實用工具，就必須對此加以改進。接下來是什么？通過量子糾錯，我們原則上已經(jīng)能夠擴展系統(tǒng)，實現(xiàn)近乎完美的量子計算。然而在實踐中，這并不容易——距離構(gòu)建大規(guī)模、容錯的量子計算機的目標(biāo)仍有很長的路要走。在逐步改進的處理器上，實現(xiàn)了邏輯量子比特，每次升級時物理量子比特的數(shù)量翻倍，且處理器規(guī)模逐漸增大。紅色和藍色方塊表示用于檢測附近錯誤的奇偶性檢查。這些處理器分別能夠可靠地執(zhí)行大約50次、103次、10?次和1012次循環(huán)以當(dāng)前的物理錯誤率來看，要實現(xiàn)相對適中的編碼錯誤率（10??），我們可能需要每個表面碼網(wǎng)格使用超過一千個物理量子比特。目前，所有這些都是在一個擁有105個量子比特的處理器上實現(xiàn)的。那么，我們是否能夠在擁有1000個量子比特的處理器上實現(xiàn)相同的性能？如果是擁有一百萬個量子比特的處理器呢？雖然面臨的工程挑戰(zhàn)是前所未有的，但進展也令人矚目。畢竟，量子糾錯所帶來的改進是指數(shù)級的。自去年以來，谷歌的編碼性能已經(jīng)提升了20倍——還需要多少個這樣的20倍，才能運行大規(guī)模的量子算法？或許，答案比我們想象中要少得多。參考資料：https://research.google/blog/making-quantum-error-correction-work/https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/