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

新智元報(bào)道編輯：編輯部 HYj【新智元導(dǎo)讀】谷歌團(tuán)隊(duì)再創(chuàng)量子計(jì)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(qiáng)超算，需要10^25年這個(gè)天文數(shù)字般的計(jì)算。困擾人類近30年量子計(jì)算糾錯(cuò)問(wèn)題，終于被攻克了！這一刻，注定將被載入史冊(cè)！今天，谷歌重磅推出全新的量子芯片——Willow（共105個(gè)量子比特），在AI圈掀起了海嘯級(jí)巨震。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)，Willow用時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jì)算領(lǐng)域決定性的技術(shù)突破——隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，這款芯片的誤差也呈指數(shù)級(jí)下降。這種精度提升的速率超出了一個(gè)關(guān)鍵閾值。這意味著，曾困擾量子計(jì)算近30年的糾錯(cuò)問(wèn)題，終于迎來(lái)曙光。谷歌量子團(tuán)隊(duì)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(kāi)始了「商業(yè)互吹」。劈柴親自官宣這一消息后，奧特曼第一時(shí)間送上祝賀。他對(duì)此回應(yīng)道——「量子+AI的多重宇宙未來(lái)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(dòng)——有朝一日，我們應(yīng)該借助Starship在太空中建造一個(gè)量子集群。馬斯克回應(yīng)，這很可能實(shí)現(xiàn)。谷歌罕見(jiàn)地敞開(kāi)了話匣子，在發(fā)布前特意召開(kāi)媒體說(shuō)明會(huì)。谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的大佬們——?jiǎng)?chuàng)始人兼負(fù)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(yùn)營(yíng)官Carina Chou，個(gè)個(gè)親自上陣，足見(jiàn)這項(xiàng)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(jìn)制造設(shè)施中生產(chǎn)的——這是全球?yàn)閿?shù)不多的、為量子芯片量身定制的、從零開(kāi)始建的工廠之一。量子芯片的設(shè)計(jì)可不是簡(jiǎn)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(jì)與無(wú)縫集成，缺一不可。只要其中一個(gè)組件卡殼，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)掉鏈子。Willow目前有105個(gè)量子比特，在量子糾錯(cuò)和隨機(jī)電路采樣這兩項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)出同類最佳的性能。值得一提的是，Willow的T1時(shí)間（量子比特保持激發(fā)狀態(tài)的時(shí)間）達(dá)到了近100微秒，比上一代約提升了5倍——這是量子計(jì)算的關(guān)鍵資源。如果想跨平臺(tái)比較量子硬件性能，以下是一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)：對(duì)于谷歌來(lái)說(shuō)，Willow具有劃時(shí)代意義。它將成為構(gòu)建有用量子計(jì)算的第一步，未來(lái)在藥物發(fā)現(xiàn)、核聚變、電池設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域中，帶去不可估量的研究潛力。首次實(shí)現(xiàn)「低于閾值」為了讓量子計(jì)算更可靠，谷歌將量子比特分組協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)糾正錯(cuò)誤。每個(gè)分組形成一個(gè)d×d的量子比特網(wǎng)格，稱為表面碼，每個(gè)表面碼代表一個(gè)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(cuò)誤也更多，理論上邏輯量子比特的保護(hù)性和性能都會(huì)提高。隨規(guī)模增加的表面碼邏輯量子比特，每個(gè)都能夠比前一個(gè)糾正更多的錯(cuò)誤；編碼的量子狀態(tài)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)量子比特陣列（黃色）上；測(cè)量量子比特（紅色、青色、藍(lán)色）用于檢測(cè)相鄰數(shù)據(jù)量子比特上的錯(cuò)誤然而，增加晶格也意味著更多的出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。如果物理量子比特的錯(cuò)誤率過(guò)高，額外增加的錯(cuò)誤會(huì)多過(guò)糾正的錯(cuò)誤，增加晶格反而可能拖慢處理器性能。只有當(dāng)錯(cuò)誤率低到足夠的程度，錯(cuò)誤糾正才能發(fā)揮作用，并實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的錯(cuò)誤率下降——這就是所謂的閾值。低于閾值時(shí)，量子錯(cuò)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(gè)已知狀態(tài)，并重復(fù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)檢查以檢測(cè)并標(biāo)記錯(cuò)誤（紅色、紫色、藍(lán)色、綠色）；最后，測(cè)量數(shù)據(jù)量子比特并解碼測(cè)量數(shù)據(jù)，從而得到一個(gè)經(jīng)過(guò)錯(cuò)誤糾正的邏輯測(cè)量結(jié)果谷歌的Willow芯片打破了這個(gè)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(shí)現(xiàn)了誤差率的指數(shù)級(jí)下降。在Willow中，隨著量子比特從3×3的表面碼擴(kuò)展到5×5、7×7，編碼錯(cuò)誤率每次減少2.14倍，實(shí)現(xiàn)了誤差率的指數(shù)級(jí)下降。邏輯量子比特性能隨表面碼規(guī)模的擴(kuò)展而提升：從3×3（紅色）擴(kuò)展到5×5（藍(lán)綠色）再到7×7（藍(lán)色）時(shí)，邏輯錯(cuò)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(shí)也是谷歌之前在Sycamore（灰色、黑色）上表面碼的20倍這個(gè)歷史性的成就被領(lǐng)域內(nèi)稱為「低于閾值」——即在擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量時(shí)，能夠降低誤差率。這是量子計(jì)算領(lǐng)域追求了近30年的里程碑。自1995年提出以來(lái)，「低于閾值」一直被認(rèn)為是構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。更重要的是，這是首個(gè)在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差修正的成功案例——這一點(diǎn)對(duì)任何有用的計(jì)算至關(guān)重要，因?yàn)槿绻麩o(wú)法足夠快速地修正誤差，計(jì)算在完成之前就會(huì)被破壞。而且，這是首個(gè)「超越盈虧點(diǎn)」的演示，其中量子比特陣列的壽命超越了單個(gè)比特的壽命。這證明量子誤差修正確實(shí)有效，正在全面改善系統(tǒng)。Willow是首個(gè)「低于閾值」的系統(tǒng)，也是最強(qiáng)有力的可擴(kuò)展量子比特原型，證明超大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)真的能造。它讓我們離那些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的實(shí)用算法更近了一大步！5分鐘計(jì)算，世界最快超算卻用10億億億年為了測(cè)試Willow的性能，研究團(tuán)隊(duì)使用了隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試。RCS是當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)上可以完成的計(jì)算中最難的基準(zhǔn)測(cè)試，可以將其視為量子計(jì)算的入門測(cè)試——它檢查量子計(jì)算機(jī)是否能做一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的事情。Willow在這個(gè)基準(zhǔn)上的表現(xiàn)令人震驚：它在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了一個(gè)計(jì)算，而這個(gè)計(jì)算如果由今天最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier來(lái)完成，將需要10^25年，也就是10，000，000，000，000，000，000，000，000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(guò)了宇宙的年齡。它支持了量子計(jì)算發(fā)生在多個(gè)平行宇宙中的觀點(diǎn)，這與我們生活在多元宇宙中的理論相一致，這一預(yù)測(cè)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(jī)，而且它還將繼續(xù)進(jìn)步。計(jì)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(wú)限內(nèi)存環(huán)境（▲）到在GPU上實(shí)現(xiàn)的更實(shí)際、易于并行化的方案（?）研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Willow超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier的評(píng)估，建立在保守假設(shè)之上，比如假設(shè)Frontier擁有無(wú)帶寬限制的二級(jí)存儲(chǔ)——這顯然是個(gè)不現(xiàn)實(shí)的理想假設(shè)。雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)會(huì)繼續(xù)進(jìn)步，但快速擴(kuò)大的差距表明，量子計(jì)算正以雙重指數(shù)級(jí)速度拉開(kāi)差距，隨著規(guī)模擴(kuò)大，量子計(jì)算機(jī)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(xiě)道：「當(dāng)我在2012年創(chuàng)辦谷歌量子AI時(shí)，我們的愿景是構(gòu)建一臺(tái)實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，利用量子力學(xué)——我們今天所理解的自然操作系統(tǒng)——來(lái)造福社會(huì)，推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)有益的應(yīng)用，并解決一些社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)。」Willow，是這個(gè)長(zhǎng)期愿景中關(guān)鍵的一步，也是朝著商業(yè)化量子計(jì)算邁進(jìn)的重要里程碑。今天，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)擁有約300名成員，并計(jì)劃擴(kuò)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(jì)算都將被證明是我們這個(gè)時(shí)代最具變革性的技術(shù)。特別是，先進(jìn)的AI技術(shù)將在量子計(jì)算的支持下取得顯著突破，而這也是谷歌將實(shí)驗(yàn)室命名為Quantum AI的原因。正如在隨機(jī)電路采樣中所觀察到的，量子算法在基本的擴(kuò)展定律（Scaling Law）上具有顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)于很多基礎(chǔ)的計(jì)算任務(wù)，這些擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)同樣適用，而這些任務(wù)對(duì)AI來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。因此，量子計(jì)算將在以下方面將不可或缺：收集經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)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(lái)說(shuō)，包括幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥物、設(shè)計(jì)更高效的電動(dòng)車電池，以及加速聚變和新能源替代品的研究進(jìn)展。這些未來(lái)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用，有很多在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的——它們都在等待通過(guò)量子計(jì)算來(lái)解鎖。展望未來(lái)一旦突破閾值，設(shè)備的小幅改進(jìn)將通過(guò)量子糾錯(cuò)被指數(shù)級(jí)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(cuò)誤率卻改善了大約20倍。能否構(gòu)建一個(gè)近乎完美的編碼量子比特？量子錯(cuò)誤糾正現(xiàn)在看起來(lái)已經(jīng)初見(jiàn)成效，但從今天的千分之一錯(cuò)誤率到未來(lái)所需的萬(wàn)億分之一錯(cuò)誤率之間仍然存在巨大差距。那么，會(huì)不會(huì)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(jì)算機(jī)的進(jìn)程呢？為了回答這個(gè)問(wèn)題，谷歌開(kāi)發(fā)了一種「重復(fù)碼」。與保護(hù)所有（局部）量子錯(cuò)誤的表面碼不同，重復(fù)碼僅專注于比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，但效率更高。通過(guò)運(yùn)行重復(fù)碼實(shí)驗(yàn)并忽略其他錯(cuò)誤類型，谷歌在采用許多與表面碼相同的錯(cuò)誤糾正原則的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更低的編碼錯(cuò)誤率。通俗地講，重復(fù)碼就像一個(gè)先行偵察兵，用于驗(yàn)證錯(cuò)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(cuò)誤率。在Willow上運(yùn)行重復(fù)碼時(shí)，谷歌能夠?qū)崿F(xiàn)約100億次錯(cuò)誤糾正循環(huán)而未發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤。然而，當(dāng)嘗試通過(guò)進(jìn)一步增加編碼規(guī)模來(lái)降低編碼錯(cuò)誤率時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤率停滯不前。重復(fù)碼性能隨重復(fù)碼規(guī)模的擴(kuò)展而提升：與Sycamore相比，實(shí)現(xiàn)了10000倍的性能改進(jìn)，但邏輯錯(cuò)誤率在每循環(huán)約10?1?時(shí)達(dá)到了一個(gè)瓶頸如何提升糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的速度？與正在使用的經(jīng)典設(shè)備相比，糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的速度實(shí)際上非常之慢。即便是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——目前最快的量子比特技術(shù)之一，其測(cè)量時(shí)間也長(zhǎng)達(dá)約一微秒。相比之下，經(jīng)典計(jì)算的亞納秒級(jí)操作時(shí)間則快了超過(guò)1000倍。而量子糾錯(cuò)操作，就更慢了。部分原因在于，現(xiàn)在還需要依靠「量子錯(cuò)誤解碼器」這一經(jīng)典軟件來(lái)解釋測(cè)量結(jié)果進(jìn)而識(shí)別錯(cuò)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(shí)時(shí)解碼測(cè)量信息的能力。但即使解碼速度能夠跟上設(shè)備，對(duì)于某些糾錯(cuò)操作，解碼器仍可能拖慢整體速度。目前，谷歌在設(shè)備上測(cè)得解碼延遲時(shí)間為50至100微秒，并預(yù)計(jì)這種延遲會(huì)隨著晶格規(guī)模的增大而進(jìn)一步增加。這種延遲可能會(huì)顯著影響糾錯(cuò)操作的速度。如果想讓量子計(jì)算機(jī)成為一種能夠用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的實(shí)用工具，就必須對(duì)此加以改進(jìn)。接下來(lái)是什么？通過(guò)量子糾錯(cuò)，我們?cè)瓌t上已經(jīng)能夠擴(kuò)展系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近乎完美的量子計(jì)算。然而在實(shí)踐中，這并不容易——距離構(gòu)建大規(guī)模、容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)仍有很長(zhǎng)的路要走。在逐步改進(jìn)的處理器上，實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特，每次升級(jí)時(shí)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(lán)色方塊表示用于檢測(cè)附近錯(cuò)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(cuò)誤率來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)相對(duì)適中的編碼錯(cuò)誤率（10??），我們可能需要每個(gè)表面碼網(wǎng)格使用超過(guò)一千個(gè)物理量子比特。目前，所有這些都是在一個(gè)擁有105個(gè)量子比特的處理器上實(shí)現(xiàn)的。那么，我們是否能夠在擁有1000個(gè)量子比特的處理器上實(shí)現(xiàn)相同的性能？如果是擁有一百萬(wàn)個(gè)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(jìn)展也令人矚目。畢竟，量子糾錯(cuò)所帶來(lái)的改進(jìn)是指數(shù)級(jí)的。自去年以來(lái)，谷歌的編碼性能已經(jīng)提升了20倍——還需要多少個(gè)這樣的20倍，才能運(yùn)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/