今天，我很高兴地宣布我们最新的量子芯片 Willow。Willow在多项指标上都具有最先进的性能，实现了两项重大成就。
- 首先，随着我们使用更多量子比特的规模不断扩大，威洛能以指数级的速度减少误差。这破解了量子纠错领域近 30 年来所面临的关键挑战。
- 其次，Willow 在不到五分钟的时间内完成了一项标准基准计算，而这项计算需要当今最快的超级计算机花费 10septillion（即 1025）年的时间，这个数字远远超过了宇宙的年龄。
Willow 芯片是 10 多年前开始的旅程中的重要一步。当我在 2012 年创立谷歌量子 AI 时，我们的愿景是建立一个有用的、大规模的量子计算机，利用量子力学–我们今天所了解的自然界的 “操作系统”–通过推动科学发现、开发有益的应用和应对社会的一些最大挑战来造福社会。作为谷歌研究院的一部分，我们的团队已经绘制了一个长期路线图，Willow 让我们在这条通往商业相关应用的道路上前进了一大步。
指数量子纠错–低于阈值！
错误是量子计算面临的最大挑战之一，因为量子计算机中的计算单位–量子比特往往会与周围环境迅速交换信息，从而难以保护完成计算所需的信息。通常情况下，使用的量子比特越多，发生的错误就越多，系统就会变得经典。
今天，我们在Nature 上发表的研究结果表明，我们在 Willow 中使用的量子比特越多、我们减少错误就越多，系统就变得越量子化。我们测试了越来越大的物理量子比特阵列，从 3×3 的编码量子比特网格，到 5×5 的网格，再到 7×7 的网格，每次我们都能利用量子纠错的最新进展，将错误率降低一半。换句话说，我们实现了错误率的指数级降低。这一历史性成就在该领域被称为 “低于阈值”–能够在增加量子比特数量的同时降低错误率。要想在纠错方面取得真正的进展，就必须证明自己低于阈值，而自 1995 年彼得-肖（Peter Shor）提出 量子纠错以来，这一直是一项艰巨的挑战。
这项成果还涉及其他科学 “第一”。例如，这也是在超导量子系统上进行实时纠错的首批令人信服的例子之一,这对任何有用的计算都至关重要，因为如果你不能足够快地纠错，它们就会在计算完成之前毁掉你的计算。而且，这是一个 “超越盈亏平衡 “的演示，我们的量子比特阵列比单个物理量子比特的寿命更长，这是一个不可否认的迹象，表明纠错正在改善整个系统。
作为第一个低于阈值的系统，这是迄今为止最令人信服的可扩展逻辑量子比特原型。它有力地表明，有用的超大型量子计算机确实可以制造出来。Willow让我们离运行实用的、与商业相关的算法更近了一步，而这些算法在传统计算机上是无法复制的。
在当今速度最快的超级计算机上运行 10 septillion 年
我们使用随机电路采样（RCS）基准来衡量 Willow 的性能。RCS 由我们的团队首创，现已被广泛用作该领域的标准，是当今量子计算机上可以完成的最难的经典基准。您可以将其视为量子计算的切入点，它可以检查量子计算机是否在做经典计算机无法完成的事情。任何打造量子计算机的团队都应首先检查它是否能在 RCS 上击败经典计算机；否则，我们有充分理由怀疑它是否能处理更复杂的量子任务。我们一直使用这一基准来评估一代芯片到下一代芯片的进展，我们在2019年10月报告了Sycamore的结果，最近又在2024年10月报告了这一结果。
Willow 在这项基准测试中的表现令人惊叹：它在不到五分钟的时间内完成了一项计算，而这项计算需要当今最快的超级计算机1025 或 10 septillion 年的时间。如果你想写出来，那就是 10,000,000,000,000,000,000 年。这个惊人的数字超过了物理学中已知的时间尺度，也大大超过了宇宙的年龄。它使量子计算发生在许多平行宇宙中的观点更加可信，这与我们生活在多重宇宙中的观点不谋而合，这一预测最早是由大卫-多伊奇（David Deutsch）提出的。
我们对 Willow 如何超越世界上最强大的经典超级计算机Frontier的评估是基于保守的假设。例如，我们假定可以完全访问二级存储，即硬盘驱动器，并且没有任何带宽开销–这对 Frontier 来说是一个慷慨而不切实际的假设。当然，正如我们在 2019 年宣布首个超越经典的计算之后所发生的那样，我们期望经典计算机在这一基准上不断进步，但迅速扩大的差距表明量子处理器正在以双指数的速度飞速发展，并将随着我们规模的扩大而继续大幅超越经典计算机。
最先进的性能
Willow 是在我们位于圣巴巴拉的全新、最先进的制造工厂制造的，这是世界上仅有的几家为此目的从头开始建造的工厂之一。系统工程是设计和制造量子芯片的关键：芯片的所有组件，如单量子比特和双量子比特门、量子比特复位和读出，都必须同时经过精心设计和集成。如果任何组件落后或两个组件不能很好地协同工作，都会拖累系统性能。因此，从芯片架构和制造到栅极开发和校准，最大限度地提高系统性能贯穿于我们流程的方方面面。我们所报告的成就是对量子计算系统的整体评估，而不是一次只评估一个因素。
我们注重的是质量，而不仅仅是数量–因为如果质量不够高，生产再多的量子比特也无济于事。目前，Willow 拥有 105 个量子比特，在量子纠错和随机电路采样这两项系统基准测试中均达到了同类最佳性能。这种算法基准是衡量芯片整体性能的最佳方法。其他更具体的性能指标也很重要；例如，我们的 T1 时间（衡量量子比特能保持激发的时间）关键的量子计算资源现在接近 100 µs（微秒）。与上一代芯片相比，这是令人印象深刻的 ~5 倍的改进。
Willow的下一步
该领域面临的下一个挑战是在当今的量子芯片上首次演示与现实世界应用相关的 “有用的、超越经典的 “计算。我们乐观地认为，”Willow “一代芯片可以帮助我们实现这一目标。迄今为止，我们已经进行了两类不同的实验。一方面，我们已经运行了 RCS 基准，该基准可以衡量经典计算机的性能，但没有已知的现实世界应用。另一方面，我们对量子系统进行了科学上有趣的模拟，这些模拟带来了新的科学发现，但仍在经典计算机的能力范围之内。我们的目标是同时做到这两点–跨入经典计算机无法企及的算法领域和对现实世界中的商业相关问题有用的算法领域。
我的同事有时会问我，为什么要离开蓬勃发展的人工智能领域，而专注于量子计算。我的回答是，两者都将被证明是我们这个时代最具变革性的技术，但先进的人工智能将极大地受益于量子计算。这就是我将我们的实验室命名为量子人工智能的原因。量子算法具有基本的扩展规律，正如我们在 RCS 中看到的那样。许多对人工智能至关重要的基础计算任务也具有类似的扩展优势。因此，在收集经典机器无法获取的训练数据、训练和优化某些学习架构以及对量子效应非常重要的系统进行建模时，量子计算将不可或缺。这包括帮助我们发现新药，为电动汽车设计更高效的电池，以及加快核聚变和新能源替代技术的发展。这些改变未来游戏规则的应用中，有许多在经典计算机上是不可行的；它们正等待着量子计算的出现。
作者：哈特穆特-内文（谷歌量子人工智能创始人兼负责人）