自慰 白虎

纠错功能标明，量子忖度机的限度越大，其准确性就越高。

编译   |   ZeR0

裁剪   |   漠影

芯东西 12 月 10 日报谈，当天凌晨，谷歌公布重要打破——其最新量子芯片 Willow 在基准测试得回惊东谈主收货，不到5 分钟完成一项方法忖度。

而如今最快的超等忖度机完成一样的任务，足足要铺张进步10^25 年的期间，比天地的年纪还长！

Willow 的打破可在使用更巨额子比特的情况下成倍减少造作，破解了近 30 年来一直在研究的量子纠错挑战。

Alphabet 及谷歌 CEO 皮查伊发文吏宣这项重磅进展后，马斯克立即议论" Wow "。俩东谈主还在议论区热聊起来，皮查伊建议有朝一日用 SpaceX 的星舰在天外里建个量子集群，马斯克则回报"这很可能会发生"。

连刚发布 Sora 视频大模子新品的 OpenAI 连合首创东谈主兼 CEO 萨姆 · 阿尔特曼齐抽空谈喜："大大的祝愿！！"皮查伊还礼谈："多元天地未来的量子 +AI 行将到来，也恭喜 o1 发布！"

皮查伊说，Willow 是构建有用的量子忖度机的要紧一步，它在药物发现、聚变能、电板联想等界限齐有实践应用。

"我觉得大大齐东谈主并莫得彻底走漏这一打破的要紧性。"大卫 · 马库斯发文强调说，"这一打破意味着后量子密码学和加密期间需要进一步发展。"

在谷歌量子忖度部门首席运营官 Charina Chou 看来，这一确立意味着到 21 世纪末，量子忖度机约略末端以至最繁密的超等忖度机齐无法末端的科学发现。

谷歌量子 AI 团队着重东谈主哈特穆特 · 内文谈谈，量子算法有基本的 scaling law，好多对 AI 至关要紧的基础忖度任务也有访佛 scaling 上风，因此量子忖度关于网罗传统机器无法看望的测验数据、测验和优化某些学习架构以及对量子效应很要紧的系统进行建模将是必不可少的。这包括匡助发现新药、为电动汽车联想更高效的电板，以及加快核聚变和新动力替代品的进展。

好多未来改变游戏规章的应用体式中在传统忖度机上是行欠亨的，它们正恭候量子忖度来解锁。

关连论文已发表于国外顶级期刊 Nature。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y

01.

Willow 芯片：105 个量子比特，

破解 30 年来重要挑战

造作是量子忖度濒临的最大挑战之一，因为量子比特时常会与周围环境快速交换信息，因此很难保护完成忖度所需的信息。时时，使用的量子比特越多，造作就会越多，系统就会变得像经典系调处样。

咫尺的量子忖度机关于大大齐买卖或科学应用来说太小且容易出错。而谷歌的实验标明，摄取正确的纠错期间，量子忖度机在限度扩大后能以越来越高的准确度实施忖度，而且这种翻新的速率进步了一个要害临界值。

"这是咱们 30 年来的意见。"谷歌总部研究科学家迈克尔 · 纽曼在文告这一确立的新闻发布会上说。

据谷歌量子硬件部门着重东谈主、物理学家朱利安 · 凯利解释，量子忖度机将信息编码为不错暗意 0 或 1 的状况，但也不错摄取多个 0 和 1 的无穷可能组合。

但这些量子信息状况特别脆弱，要让量子忖度机实施有用的忖度，你需要量子信息，而况需要保护它免受环境和操作的影响。

为了末端这种保护（莫得这种保护，量子忖度就无法末端），表面家们从 1995 年启动开发私密的有研究，将一个量子比特的信息散播到多个"物理"量子比特上。由此产生的"逻辑量子比特"至少在表面上约略反抗噪声。要使这种称为量子过错校正的期间在实践中领路作用，就必须诠释这种将信息散播到多个量子比特上的方法约略灵验缩短造作率。

昔日几年，IBM、AWS 等多家公司和学术团体依然诠释，纠错不错稍微提升准确性 。谷歌在 2023 年头发布了一项效用，该效用使用了其 Sycamore 量子处理器中的 49 个量子比特，该处理器在超导电路中对每个物理量子比特进行编码。

谷歌新芯片名为Willow，是其更大、翻新的版块，有105 个物理量子比特。它是在谷歌于 2021 年在加州圣巴巴拉的量子忖度园区开辟的制造实验室中开发的。

系统工程是联想和制造量子芯片的要害：芯片的总共组件齐必须同期经过用心联想和集成。要是任何组件滞后或两个组件不成很好地协同责任，就会牵涉系统性能。因此，最大化系统性能链接于全经过，从芯片架构和制造到门开发和校准。其论说的成便是举座评估量子忖度系统，而不是一次只评估一个要素。

谷歌留意质料，而不单是是数目。Willow 在量子纠错和只怕电路采样两个系统基准测试中均领有一流的性能。此类算法基准测试是揣度芯片举座性能的最好形状。

其他更具体的性能研究也很要紧；举例，T1 期间（测量量子比特不错保留激励的期间吊唁——要害的量子忖度资源）现在接近100 µ s，比拟谷歌上一代芯片比拟，末端约5 倍的翻新。

谷歌量子忖度部门着重东谈主哈特穆特 · 内文说，这是量子忖度机联系于传统忖度机的上风的最新体现。

02.

将造作率指数级缩短，

性能远超传统超算

谷歌在 Nature 上发表的研究限度标明，Willow 中使用的量子比特越多， 造作减少得就越多，系统就越量子化。

研究团队测试了越来越大的物理量子比特阵列，从 3x3 编码量子比特网格彭胀到 5x5，再到 7x7 ——每一次，诈欺在量子纠错方面的最新进展，他们齐约略将造作率缩短一半。

换句话说，他们末端了造作率的指数级缩短。

这一历史性确立在业界被称为"低于临界值（below threshold）"——能在增多量子比特数目的同期缩短造作。

必须诠释低于临界值才智诠释在纠错方面得回了信得过的进展，自 1995 年 Peter Shor 引入量子纠错以来，这一直是一项重荷的挑战。

这一限度还涉偏激他科学"第一"。

举例，它亦然超导量子系统及时纠错的首批引东谈主细心的例子之一。这关于任何有用的忖度齐至关要紧，因为要是不成满盈快地变嫌造作，它们会在完成忖度之前罢休它。

其量子比特阵列比单个物理量子比特的寿命更长，这标明纠错正在改善通盘系统。

四肢首个低于临界值的系统，这是迄今为止构建的可彭胀逻辑量子比特最令东谈主深信的原型。这有劲地标明，实用的超大型量子忖度机照实不错构建。Willow 使之更接近运行传统忖度机上无法复制的实用、买卖关连算法。

为了揣度 Willow 的性能，研究团队使用了其开创的只怕电路采样 （RCS）基准。

这是咫尺量子忖度机上不错完成的最难的传统基准。你不错将其视为量子忖度的切入点，它查验量子忖度机是否在作念一些传统忖度机上无法完成的事情。

任何构建量子忖度机的团队齐应该领先查验它是否不错在 RCS 上打败传统忖度机；不然有充分的事理怀疑它能否处理更复杂的量子任务。

谷歌一直使用这个基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展。他们在 2019 年 10 月论说了 Sycamore 的限度，最近在 2024 年 10 月再次论说了其限度。

Willow 在这项基准测试中的进展令东谈主咋舌：不到 5 分钟的期间内完成了一项忖度，而咫尺最快的超等忖度机之一需要10^25 年才智完成。

要是要写出来，则是：

10，000，000，000，000，000，000，000，000年。

这个令东谈主难以置信的数字超出了物理学中已知的期间圭臬，远远进步了天地的年纪。

它阐明了量子忖度发生在好多平行天地中的不雅点，这与量子物理学家戴维 · 多伊奇初度提倡的咱们糊口在多元天地中的不雅点一致。

如图所示，Willow 的最新限度是谷歌迄今为止最好的。

▲忖度老本受可用内存的影响很大，因此谷歌的估算斟酌了一系列场景，从内存无穷的理思情况（▲）到更实用的 GPU 并行末端（⬤）

谷歌对 Willow 怎么稀薄宇宙上最繁密的经典超等忖度机之一 Frontier 的评估是基于保守的假定。举例，假定不错彻底看望二级存储（即硬盘），而无需任何带宽支出——这对 Frontier 来说是一个激动而不切实践的假定。

正如谷歌在 2019 年文告初度稀薄经典忖度后发生的那样，他们瞻望经典忖度机将在这个基准上链接翻新，但飞快扩大的差距标明，量子处理器正以双倍指数的速率赶超经典忖度机，而况跟着扩大限度，其性能将链接远远进步经典忖度机。

03.

结语：向买卖应用迈进

2012 年谷歌量子忖度 AI 团队创只怕，愿景是构建一台实用的大型量子忖度机，诈欺量子力学激动科学发现、开发有用的应用体式和管制一些社会最大挑战，从而造福社会。四肢 Google Research 的一部分，其团队依然制定了永恒道路图，而 Willow 正激动他们朝着买卖关连应用的标的迈进。

该界限的下一个挑战是展示咫尺量子芯片上第一个"有用的、稀薄经典"的忖度，该忖度与实践应用关连。谷歌团队乐不雅地觉得 Willow 一代芯片不错匡助他们末端这一意见。迄今他们依然进行了两种不同类型的实验。一是运行 RCS 基准测试，揣度了与传统忖度机的性能，但尚无实践的买卖应用；二是对量子系统进行了科学上道理的模拟，这激动了新的科学发现，但仍在传统忖度机的范围内。

其意见是同期完成这两件事，插足传统忖度机无法企及的算法界限，这些算法对现实宇宙的买卖关连问题有用。

起原：Google，Nature