2024年12月9日，谷歌宣布其利用新一代芯片克服了量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn),。這顆名為Willow的新芯片在5分鐘內(nèi)解決了一個(gè)計(jì)算問題,，而這個(gè)問題需要傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)花費(fèi)10的25次方年的時(shí)間來解決,。Willow芯片是在Google位于圣巴巴拉的全新先進(jìn)制造工廠制造的,，該工廠專門用于處理量子芯片生產(chǎn)的獨(dú)特挑戰(zhàn),。谷歌使用隨機(jī)電路采樣基準(zhǔn)測試來衡量Willow的性能,，結(jié)果顯示,，Willow在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了計(jì)算，而同樣的計(jì)算對于最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)來說需要超過宇宙年齡的時(shí)間,，這突顯了量子系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的巨大計(jì)算優(yōu)勢,。

Willow芯片擁有105個(gè)“量子位”，這些量子位運(yùn)行速度很快,，但容易出錯(cuò),。通常情況下，使用的量子位越多,，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多,。為了保護(hù)量子信息免受這些影響，研究人員開發(fā)了量子糾錯(cuò)碼,，但其有效性依賴于一個(gè)假設(shè)：即單個(gè)物理量子位上的錯(cuò)誤率必須足夠低,，以便糾錯(cuò)過程本身不會(huì)引入比它修正的更多的錯(cuò)誤。Willow實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”的量子糾錯(cuò),，這意味著隨著添加更多的量子位,，系統(tǒng)的誤差率會(huì)指數(shù)級(jí)下降。這一成果解決了量子計(jì)算領(lǐng)域近30年來的核心挑戰(zhàn),，不僅提升了量子計(jì)算機(jī)的可靠性，還為未來建造更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ),。

國盾量子云平臺(tái)負(fù)責(zé)人儲(chǔ)文皓表示,，谷歌此次的動(dòng)作可能更多是在準(zhǔn)備后續(xù)的商業(yè)發(fā)布。早在今年八月份,，谷歌曾發(fā)表論文《低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)》,，展示了通過量子糾錯(cuò)技術(shù)可以有效地降低量子計(jì)算過程中的錯(cuò)誤率，即使在量子位數(shù)量增加的情況下也能保持較低的錯(cuò)誤率,。在這篇論文中,，谷歌團(tuán)隊(duì)展示了使用表面碼實(shí)現(xiàn)了低于閾值的量子糾錯(cuò)。當(dāng)研究人員將陣列從3×3擴(kuò)展到5×5再到7×7時(shí),，每次擴(kuò)展都能將編碼錯(cuò)誤率降低2.14倍,。這一結(jié)果證實(shí)了量子糾錯(cuò)理論所預(yù)測的指數(shù)級(jí)錯(cuò)誤抑制效果,，被認(rèn)為是十分重要的技術(shù)進(jìn)步，不亞于甚至超過了2019年谷歌宣布的量子霸權(quán),。

此前南方科技大學(xué)也在其芯片上驗(yàn)證過類似的概念,，而谷歌這次在實(shí)驗(yàn)體系中實(shí)現(xiàn)了d=5和d=7的糾錯(cuò)，并證明了7的效果顯著優(yōu)于5,，而5又明顯優(yōu)于3,，表明其在量子控制技術(shù)上達(dá)到了新的高度。儲(chǔ)文皓解釋說,，谷歌一直使用的仍然是表面碼,，糾錯(cuò)算法本身并沒有發(fā)生根本性的變化，真正的進(jìn)步發(fā)生在高精密的量子控制手段,。借助人工智能實(shí)現(xiàn)了更有效的解碼器方案篩選和軟硬件上的實(shí)時(shí)線路編譯,，這些技術(shù)進(jìn)步共同推動(dòng)了量子糾錯(cuò)能力的提升。相比糾錯(cuò)算法和測控手段上的進(jìn)步,，谷歌本次展現(xiàn)的在硬件層面的技術(shù)革新相對較少,，芯片上使用的Tunbale Coupler可調(diào)耦合器的架構(gòu)自2019年以來就已經(jīng)被采用，國內(nèi)如南方科技大學(xué),、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及北京量子信息科學(xué)研究院在內(nèi)的機(jī)構(gòu)都有團(tuán)隊(duì)在這個(gè)方面有所突破,。

Willow芯片的開發(fā)是Google在量子計(jì)算領(lǐng)域長期研究的一部分。Google自2014年以來一直在研究量子計(jì)算,，并在2019年宣布其量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“超越經(jīng)典”的性能,。Willow芯片的推出標(biāo)志著Google在量子計(jì)算硬件方面的進(jìn)一步發(fā)展，特別是在量子糾錯(cuò)技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展,。盡管目前還沒有已知的有用應(yīng)用,，但谷歌的目標(biāo)是在未來推出一個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的真實(shí)用例，這可能包括新藥開發(fā),、電動(dòng)車電池優(yōu)化設(shè)計(jì),、核聚變研究和新能源開發(fā)等領(lǐng)域。