量子计算为何神通广大？谷歌量子计算芯片意义在哪里？

有句话说，遇事不决，量子力学。

然而，谷歌在量子计算上的突破，让调侃有了实现的可能。

近期，谷歌官宣了全新量子芯片Willow，拥有史上最多的105个量子比特。更重要的是，在量子比特增加之后，Willow反而控制住了错误率！

Willow实现了指数级错误率降低——量子纠错领域30年来一直想解决的关键挑战。

Willow仅需五分钟就可以搞定——当前顶级计算机需要10^25年才能完成的计算。

这再次证明了量子计算的巨大发展潜力，标志着量子计算技术进入了一个新的时代。

量子计算为何神通广大？又要从一只猫说起

传统计算机处理数据的基本单位是比特（bit），只能0或1，仅代表一个数；量子计算机的基本单位是量子比特（qubit），可以“既是0又是1”，例如40%概率是0；60%的概率是1……其信息会丰富很多。

现在，我们来复习“薛定谔的猫”。

设想一个封闭的盒子，其中包含：

1. 一只可怜的小猫。（疯狂谴责薛定谔）

2. 一瓶毒药。

3. 一个放射性原子，50%概率衰变，50%概率稳定。

如果原子衰变，会释放毒药，猫死；如果原子不衰变，猫活。

叠加态：猫“既活又死”→ 并行计算

根据叠加原理，当我们打开盒子之前，猫的状态并不是“活”或“死”，而是“活和死的叠加态”；只有当我们观察时，叠加态才会“坍缩”成一个确定的结果。

因为“既0又1”的叠加态，量子计算机可以在一次操作中，处理多个可能的结果。就像猫可以同时“活”和“死”。因此，量子计算机在特定任务中有着远超传统计算的并行能力。

纠缠态：猫咪命运相连 → 快速协作

假设盒子里放了两只猫，它们的命运会“纠缠”在一起：当我们打开盒子，如果发现一只猫活着，另一只猫也是活着，反之亦然。这种量子纠缠意味着两只猫的状态密切相关。

类比一下，量子比特之间的“纠缠”能够让信息传递和计算效率成倍提升。例如，一个拥有n个纠缠量子比特的系统可以同时表达2^n种可能状态，这是传统计算机无法企及的速度。

坍缩：打开盒子见真相 → 找到答案

量子计算能够利用叠加态筛选出正确结果，就像打开盒子时发现猫的最终状态一样，避免了传统计算中冗长的“试探”。

现在，请你想象有一台超级计算机，它的核心运作逻辑是无数“薛定谔的猫”。

传统计算机：一个接一个地打开所有盒子，逐个查看猫是死是活。

量子计算机：让成千上万的猫一起进入“叠加态”，在所有“盒子”中同时工作，飞速找到正确答案。

一直以来，谷歌都是量子计算机的“领头羊”。

2019年，谷歌研发53量子比特 量子计算机Sycamore实现了“量子霸权”——仅用200秒就完成了一项计算（随机电路采样基准测试），当时世界最快的超级计算机需要1万年。谷歌CEO Pichai称其为“莱特兄弟12秒的首飞”。

2024年，谷歌研发的全新量子芯片Willow，所选的定制问题依然是随机电路采样，但其关键突破在于——实现了随着量子比特数量增加，错误率指数级降低的目标，通过逐步扩大量子比特阵列规模，从3x3到5x5再到7x7，每次都能将错误率降低一半。

量子纠错，这才是Willow的跨时代意义。

量子纠错，给“量子猫”配备保镖天团

在过去30年，量子计算存在一个根本性挑战：随着量子比特数量的增加，错误率会急剧上升。

为何会这样？我们继续用“薛定谔的猫”打比方。

我以前想过，为什么薛定谔不用“狗”举例呢？养了猫后才知道，因为猫很容易应激，状态更“脆弱”。

同理，具备“奇妙”特性的量子态也容易“应激”——好比“盒子里的猫”要应对外界干扰，比如噪声、振动——任何一个微小因素都可能导致状态坍缩，计算失败。

量子想要“纠缠”，就得保持波函数同步共振。然而，只要有一点干扰进来，相干性就会被破坏——芯片上的量子比特越多，相干性就越不容易保持。

想实现量子纠错，我们需要在不干扰猫的前提下，持续监测它是否被外界影响，同时纠正错误。这听起来很抽象，毕竟在量子世界，观测本身就会影响系统。

过去30年，科学家们想尽办法保护“量子猫”。

方法一：重复编码——一猫变三猫

为了确保猫的状态，科学家让三只猫共同承担“活与死”信息。如果一只猫状态被干扰，其他两只可以决定正确的状态。但问题是，量子误差比经典比特误差复杂得多，不止是0、1两种状态，而是所有叠加态。其纠缠特性会让这种方法需要更多资源，导致系统复杂性增加。

方法二：拓扑量子码——让猫进“迷宫”

科学家发现，如果让“猫”的量子态以一种拓扑结构存在（比如在迷宫中行走的轨迹），干扰的影响会被限制在更小范围内，而不会破坏整个系统。这种方法类似于让猫的生存依赖整个环境，而非单个状态。这种方法巧妙地利用了几何结构，让量子信息更稳定。

那么，Willow是如何从“越纠越错”变成“越纠越对”呢？

其思路就是给“量子猫”配备保镖天团。

在量子纠错中，涉及将许多物理量子比特放在一起，让它们协同工作，也就是通过创建一个“逻辑量子比特”(logical qubit)来纠正错误。3×3、5×5、7×7等组合被称为“逻辑量子比特”。

1个中心位置的物理量子比特存储实际的量子信息(数据比特)，周围8个物理量子比特是辅助比特。因此，一个3×3排列实际只能存储1个比特信息。

举个例子，在《哈利波特与死亡圣器》中，凤凰社为了将哈利转移到安全的地方，想出了“7个哈利”转移计划。其他6个人“变形”成“假哈利”，护送“真哈利”冲出食死徒的重围。

其中，“真哈利”就是“脆弱”的量子信息(数据比特)；其他位置的“假哈利”是辅助比特。

这一突破在业界被称为“低于阈值”——在增加量子比特数量的同时降低错误。

谷歌研究人员写道：“虽然许多平台已经展示了量子纠错的不同特性，但至今没有一个量子处理器明确地表现出低于阈值的性能。”

你的比特币很安全，商业用途道阻且长

谷歌官宣Willow后，最紧张的当属比特币玩家。一旦量子计算机的恐怖算力投入通用计算领域，你的加密币钱包直接裸奔。

不过，大家可以放心，量子计算距离任何商业用途仍有很长的路要走。

如同2019年量子计算机Sycamore，2024年的Willow芯片选择的基准测试依然是随机电路采样（RCS）。

换句话说，随机电路采样是一个为量子计算机量身定做的问题。这个实验的意义并非结果的实用性，而是为了证明——在某些特定问题上，量子计算机对传统计算机具有压倒性优势。

举个不太恰当的例子，Willow就像“棋王”AlphaGo，棋艺天下第一，但只会下棋。

谷歌CEO Pichai在X发文称：“Willow是我们构建一台能够在药物发现、聚变能源、电池设计等领域具有实际应用的实用量子计算机旅程中的重要一步。”

另外，量子计算看似是AI算力短缺的解药。但是，大模型的训练本就是黑盒模式，会受到互联网上的错误数据影响。量子计算芯片本身也存在错误率，叠加之下可能“错上加错”，影响大模型训练和推理的精确度。

因此，大家可以展望未来，焦虑就大可不必了。

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