谷歌“量子霸權”再進一步，馬斯克驚呼：Wow
谷歌發佈新一代量子計算芯片Willow，在全球科技界引起了巨大的轟動。
01
谷歌解決困擾學界30年的難題
當地時間12月9日，美國科技巨頭谷歌發佈最新的量子芯片Willow（柳樹）以及基於該芯片的量子計算機。雖然該發佈一開始僅在學界引發了一些討論，隨着特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）和谷歌CEO桑德·皮查伊（Sundar Pichai）在社交平臺上圍繞該芯片展開對話，使其受到了更多人的關注。
官方宣稱，這塊小小的芯片，能在五分鐘內完成超級計算機需要億萬年才能搞定的計算任務。消息一出，連馬斯克都驚歎一聲“哇塞” ！
除了馬斯克以外，人工智能新銳巨頭OpenAI的CEO山姆·奧特曼（Sam Altman）也轉發了皮查伊的推文，並回應稱“熱烈祝賀”。
Willow芯片的出現，或成功解決30年前提出的“量子糾錯閾值”挑戰。
20世紀80年代，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼等人提出構想，基於作爲量子特性的量子疊加和量子糾纏構建“量子計算”。科學家們認爲，相較於電子計算機，量子計算機理論上的運算能力將有幾何級數的增長，有望成爲下一代信息革命的關鍵動力。傳統計算機使用二進制數字，即比特，是1或0，量子計算中的基本單位是量子比特，以量子態表示和存儲信息，量子態是0和1的混合。
量子芯片Willow內含105個物理量子比特，其前身爲谷歌旗下的Sycamore量子處理器，需要在接近絕對零度的實驗室環境中發揮最佳性能。據谷歌研究團隊發佈的文章介紹，Willow芯片達成了兩個重要成就。
首先，隨着芯片裡量子比特數量的增多，通過改進芯片中的量子比特，Willow可以成倍地減少計算錯誤。這解決了量子糾錯領域的一個被稱爲“量子糾錯閾值”的關鍵挑戰，即從理論上來看，在一個系統中使用的量子比特越多，錯誤就會越多。該挑戰在1995年被提出，學界已對其研究了近30年。沒有高效的糾錯機制，量子計算就無法投入實際應用。
谷歌實驗室的研究科學家Michael Newman表示，爲了實現量子糾錯，需要將許多物理量子比特聚集到一起，讓它們協同工作並形成一個邏輯量子比特：“每次我們增加邏輯量子比特，或者進行差異化分組，從3×3、5×5再到7×7的物理量子位陣列，錯誤率都沒有出現上升，實際上一直在下降。我們每一次增加集合的尺寸，都會使錯誤率下降兩倍。”
其次，Willow在不到5分鐘的時間內完成了一個標準的基準計算，而如果要當今世界上一個最快的超級計算機完成同樣的計算，也需要10^25（10的25次方）年（10000000000000000000000000年）的時間，這個時間長度已經超過了已知宇宙的年齡。
不過，值得注意的是，谷歌量子計算機進行的數學計算是一項專門用於衡量量子計算進展的測試，而不是一項可能在其他領域有用的任務。
02
谷歌的“量子霸權”夢
谷歌的量子霸權項目始於2006年，最初專注於量子計算軟件的研究。2014年，谷歌與加州大學聖塔芭芭拉分校的John Martinis教授團隊合作，開始研究量子計算硬件。最終，該團隊在2019年成功構建了名爲“Sycamore”的處理器，並以此實現了量子霸權。
量子霸權的概念最早由加州理工學院的John Preskill教授在2012年提出，指的是量子計算機能夠在特定問題上超越世界上性能最好的經典計算機。谷歌的Sycamore處理器通過運行一個複雜的隨機量子電路，僅用了200秒就完成了傳統超級計算機Summit需要約10,000年才能完成的任務。這一突破性進展被谷歌宣佈爲量子霸權的實現，即量子計算機在某個特定問題上的計算能力超過了傳統計算機。
然而，谷歌的聲明和實驗結果也遭到了一些質疑。
IBM團隊指出，在傳統超級計算機上模擬谷歌的計算結果其實只需要兩天半，而非谷歌所稱的1萬年。因此，IBM認爲谷歌並未真正實現“量子霸權”。此外，IBM還質疑谷歌是否考慮了大量磁盤存儲等因素，認爲這些因素可能影響實驗結果。
面對質疑，谷歌並未停下量子計算研究的腳步。這次推出的Willow芯片是谷歌構建有用量子計算機的重要一步，也是朝着商業化量子計算邁進的關鍵里程碑。谷歌量子AI團隊擁有約300名成員，並計劃擴展，同時還在加州大學聖巴巴拉分校建立了自己的製造設施，致力於構建完整的量子生態系統。
理論上來看，量子計算機將能夠處理更大量的數據，從而在醫學、科學和金融等領域取得突破，也將對加密貨幣市場造成挑戰。對於Willow的發佈及其價值，一些學者認爲這是量子計算領域一個重要的突破口，但也有專家指出，距離該技術真正走入現實還需要一定時間。
英國薩塞克斯大學量子技術教授Winfried Hensinger表示，在展示量子計算機處理運算中錯誤方面，谷歌的Willow芯片確實是一塊“新的里程碑”。不過，Hensinger亨辛格也表示，Willow的規模“仍然太小，無法進行有用的計算”，量子計算機需要“數百萬量子比特”來解決真正重要的行業問題。
然而，即便如此，也足以讓全球其他科技巨頭忌憚。
03
多路線並進
爭奪量子計算話語權的科技巨頭
在21世紀的科技浪潮中，量子計算無疑是最具革命性的技術之一。它不僅能夠顛覆傳統的計算方式，更可能引領一場前所未有的科技革命，使全球科技巨頭們紛紛加入這場激烈的競賽，爭奪量子計算的話語權。
在技術路徑上，谷歌和IBM都致力於通過超導系統來實現量子計算，而英特爾則聚焦於硅自旋量子計算。這些不同的技術路線反映了科技巨頭們在追求量子霸權時的多樣化策略。儘管如此，量子計算的商業化應用仍面臨諸多挑戰，如量子糾錯、容錯能力等關鍵技術難題尚未完全解決。
另一家互聯網科技巨頭亞馬遜則通過AWS量子計算中心和量子解決方案實驗室入局量子計算，與D-Wave、IonQ和Rigetti合作提供雲服務。AWS的“量子啓航計劃”旨在幫助企業爲量子計算時代做好準備。
微軟的量子計算戰略則重點不在硬件，而是致力於構建量子計算的軟件生態。微軟通過其Quantum Development Kit（QDK）爲開發者提供量子編程工具，支持量子算法的開發與測試。微軟還推出了量子編程語言Q#，允許開發者創建量子計算應用，並在微軟的量子模擬器上進行實驗。
儘管量子計算的潛力巨大，但要實現大規模商用，仍然面臨不少挑戰。量子錯誤校正、硬件與規模、算法與應用等問題是當前量子計算研究的難點。然而，隨着科技巨頭們的不斷投入和技術的不斷進步，這些問題有望逐步得到解決。
04
從實驗室到全球舞臺
崛起中的中國量子計算
自20世紀80年代量子計算概念提出以來，中國始終緊跟國際步伐，從政策鼓勵研發到注重產業化應用，量子計算產業經歷了顯著的發展。
中國在量子計算領域的研究始於20年前，由一羣大學生髮起，旨在研發國產量子計算機，以增強國家競爭力。中國科學院院士郭光燦領導的團隊在量子信息領域進行了長期探索，最終在2018年成功研發出首臺國產工程化量子計算機原型機，使中國成爲全球第三個具備量子計算機整機交付能力的國家或地區。
我國在量子計算技術上的突破主要體現在硬件和軟件兩個方面。硬件方面，中國已經成功研發出第三代超導量子計算機“本源悟空”，搭載72位自主超導量子芯片，共198個量子比特，是目前最先進的可編程、可交付超導量子計算機。
此外，北京量子信息科學研究院發佈了“大規模量子云算力集羣”，實現了五塊百比特規模量子芯片算力資源和經典算力資源的深度融合，總物理比特數達到590，綜合指標進入國際第一梯隊。
軟件方面，中國自主研發的量子計算操作系統誕生，並上線了中國第一個搭載量子計算機真機的量子計算雲平臺，從硬件、軟件、人才和產業方面提高了中國量子計算原始創新能力。這些成果不僅標誌着中國在全球量子計算競賽中的重要地位，也預示着量子技術未來的應用前景。
而在自主量子芯片上，我國已經擁有了自主研發的第三代超導量子芯片——“悟空芯”。“悟空芯”擁有72個計算量子比特和126個耦合器量子比特，總共198個量子比特，該芯片採用了雙層結構設計，能夠實現量子疊加和糾纏等特性。與前兩代量子芯片相比，“悟空芯”具有更高的相干時間，性能上有顯著提升。
“悟空芯”搭載於第三代自主超導量子計算機“本源悟空”，該計算機能夠一次性下發、執行多達200個量子線路的計算任務，比只能同時下發、執行單個量子線路的國際同類量子計算機具有更大的速度優勢。
在實際應用中，用戶可以使用“悟空芯”開發量子計算應用程序，這使得它在金融模擬、化學分子建模以及材料科學等領域具有廣泛的應用前景。而“悟空芯”的發佈標誌着中國自主超導量子計算機制造能力從小規模開始進入中等規模階段，具備了自主生產一定中等規模的可擴展的量子計算機芯片和系統的能力。
總體而言，量子計算的崛起不僅改變了計算行業的遊戲規則，也對多個行業產生了深遠影響。量子計算機有望在金融、藥物研發、物流等領域帶來革命性的變革。然而，目前尚無明確的勝者，科技巨頭之間的激烈競爭正在推動科學發現和技術創新的邊界。
微信訂閱
歡迎通過郵局渠道訂閱2025年《電腦報》
郵發代號：77-19
單價：8元，年價：400元
編輯｜張毅
審覈｜吳新
爆料聯繫：cpcfan1874（微信）
壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯網新鮮事、電商生活、雲計算、ICT領域、消費電子，商業故事。《中國知網》每週全文收錄；中國科技報刊100強；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優質科技內容創作者