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近期，全球范圍內興起的[量子芯片熱]現象，其源頭可追溯至谷歌于12月9日發表于《自然》雜志最新一期的論文。
該論文闡述了谷歌研究團隊發現了一種將Willow芯片中的量子比特串聯起來的技術。
隨著量子比特數量的增加，該技術不僅能夠降低錯誤率，還能實現錯誤的實時糾正。
這一進展被認為是實現量子計算商業應用的關鍵步驟。
Willow芯片能在不足五分鐘內完成一項標準基準計算，而目前最快的超級計算機完成相同計算任務則需耗費[10的25次方]年，這一時間甚至超過了宇宙的年齡。
對此，香港中文大學量子控制實驗室指出，谷歌量子芯片Willow的突破性進展在于其量子比特數量達到105個，且在使用更多量子比特時，錯誤率能夠以指數級速度下降。
30年重大難題：錯誤率
量子比特作為量子計算機的基本計算單元，易于與周圍環境迅速進行信息交換，這導致了保護其完成計算所需信息的困難。
任何技術突破若要證明其在糾錯方面取得實質性進展，必須展示其低于閾值的性能。
自1995年彼得·秀爾引入量子糾錯概念以來，該領域一直致力于克服這一挑戰，至今已持續了三十年的努力。
傳統上，隨著量子比特數量的增加，錯誤率亦隨之上升，這導致計算能力的擴展受到限制，因為錯誤率的增加使得整個系統難以實現規模化的增長。
以化學火箭為例，其效率低下是因為火箭必須攜帶燃料升空，而燃料的大部分推力都消耗在了自身的升空上，盡管仍有一部分推力用于載荷。
不幸的是，一旦超過某個臨界點，燃料產生的推力無法克服自身的重量，火箭的起飛重量便被限制在了那個臨界質量。
超導量子計算機也面臨著類似的挑戰，當量子比特數量超過特定的臨界值時，錯誤率變得難以接受；
且隨著量子比特數量的增加，錯誤率亦相應增大，這與火箭燃料無法推動自身重量的情況相似。
谷歌突破性進展：拔高量子計算應用高度
谷歌在國際權威期刊《自然》雜志上發表的研究成果表明，他們測試了從3x3、5x5至7x7不同規模的量子比特陣列，每次均能將錯誤率減半。
此次研究的成果也是超導量子系統實時糾錯的首次成功案例之一，對于實現任何有效的計算至關重要，因為若無法迅速糾正錯誤，計算過程將在完成前遭到破壞。
在探討量子計算領域時，美國理論物理學家理查德·費曼曾提出一個引人深思的觀點：[自然界并非遵循經典物理學規律，若要模擬自然界的運作，最佳方式是采用量子力學的原理。]
谷歌的研究成果顯示，在Willow項目中，隨著量子比特數量的增加，錯誤率相應減少，系統的量子性能得到提升。
相關研究結果已在國際權威期刊《自然》上發表，谷歌的研究團隊測試了不同規模的量子比特網格，從3x3、5x5到7x7，Willow系統每次都能將錯誤率減半。
這一突破性的進展在量子計算領域被稱為[低于閾值]，意味著在擴展量子比特數量的同時，能夠有效降低誤差率。
谷歌量子AI部門的負責人兼首席運營官Charina Chou進一步闡述道，當前的人工智能技術主要依賴于機器學習，而機器學習又需要大量的訓練樣本。
例如，ChatGPT之所以取得顯著成就，是因為有大量可供訓練的數據。在這一方面，量子計算亦可發揮其作用。
谷歌實際上已經在這一領域開展了一些研究工作，旨在開發能夠從磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）中提取更多價值的算法。
這些新開發的量子算法能夠作為原子尺度的測量工具，提供分子中原子核之間極其精確的距離信息。
因此，量子計算有助于獲取原本難以獲得的訓練數據集，這是其與人工智能技術的另一重要聯系。
谷歌的研究團隊表示，他們正在致力于開發新技術以擴展量子系統的規模。
迄今為止，谷歌在量子計算領域進行了兩種不同類型的實驗。
一方面，他們運行了RCS基準測試，該測試評估了量子計算機與傳統計算機的性能對比，盡管目前尚未發現其具體的實際應用。
另一方面，他們對量子系統進行了科學模擬，這導致了一些新的科學發現，但這些發現目前仍在傳統計算機的能力范圍內。
盡管這些發現對傳統計算機而言極具挑戰性，但尚未展示出實際的商業應用價值。
系統工程在量子芯片的設計和制造過程中扮演著至關重要的角色：芯片的所有組件，包括單量子比特和雙量子比特門、量子比特復位和讀出等，都必須經過精心設計和集成。
因此，量子計算對于獲取經典計算機無法處理的訓練數據、訓練和優化特定的學習架構以及對量子效應至關重要的系統建模，將變得至關重要。
這涵蓋了幫助我們發現新藥物、為電動汽車設計更高效的電池，以及加速核聚變和新能源替代品的研究進程。
許多此類未來可能顛覆行業規則的應用，在經典計算機上是不可實現的；它們正期待著量子計算的解鎖。
國內也從未缺席：量子計算領域發展剛剛開始
盡管阿里巴巴遺憾地關閉了其量子實驗室，但國內企業并未落后于國際同行，反而積極投身于這一技術浪潮，將量子計算視為重要的發展機遇，并取得了顯著的技術進展。
在2024年數字科技生態大會上，中電信量子信息科技集團有限公司正式發布了其量子計算機天衍504。
該產品基于中國科學院量子信息與量子科技創新研究院開發的[驍鴻]量子計算芯片，擁有高達504個量子比特，成為國內量子比特數量最多的芯片。
此外，該公司還推出了天衍24和天衍176等多款量子計算機，其中天衍176的雙比特門錯誤率已降至2%以下。
安徽省量子計算工程研究中心與量子計算芯片安徽省重點實驗室也推出了[悟空芯]，該芯片具備72個工作量子比特和126個耦合量子比特。
在互聯網企業中，華為早在2020年便申請了[量子計算方法及設備]的專利，標志著其進軍量子計算領域。
字節跳動在2021年也公開招募了量子計算機研究人員，開始布局量子計算。
這兩家公司的量子計算機尚處于研發的早期階段，目前尚未有大量有效信息對外公布。
結尾：
搭載Willow芯片的量子計算機在未來有望在多個領域引發根本性的變革。
這些領域包括藥物發現，通過精確模擬分子間相互作用，加速新藥和新型療法的研發；
材料科學，設計出性能卓越的新型材料，推動技術進步；
人工智能，顯著加快機器學習算法，使AI系統能夠更迅速、高效地處理復雜任務；
新能源技術，設計更高效的電池并推動能源創新；
以及清潔能源技術的突破，探索更可持續的能源解決方案。
部分資料參考：讀數一幟：《谷歌發布最強量子芯片，相關概念股大漲》，第一財經：《谷歌，量子芯片重大突破！》，科學有故事：《不吹不黑，谷歌 Willow 芯片到底有多大能耐？》，數據觀：《谷歌全新量子芯片Willow問世：5分鐘完成超算需要102?年的計算任務》，未來半導體：《破解30年重大難題！谷歌Willow量子芯片橫空出世》，雷科技：《Google Willow殺瘋了！量子芯片是AI的終局？》，科技行者：《專訪谷歌量子AI團隊：為什么說Willow是里程碑式的突破？》
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