科技日報記者 劉霞
編者按 谷歌推出突破性量子芯片、我國超導(dǎo)量子計算機“祖沖之三號”亮相……近期，國內(nèi)外量子計算領(lǐng)域成果頻出。為幫助讀者更好了解這一前沿技術(shù)發(fā)展動態(tài)，本版今起推出“解讀量子計算新進展”系列報道，介紹量子計算的技術(shù)突破、研究方向及未來應(yīng)用潛力。
在通往實用糾錯量子計算機的征途上，科學(xué)家們再下一城。
前不久，美國谷歌公司發(fā)布最新量子芯片“威洛”（Willow），稱其在計算速度和糾錯能力方面取得“兩個重大進步”，不到5分鐘就完成了當(dāng)今領(lǐng)先的超級計算機需要1025年才能完成的任務(wù)，為研制實用的大規(guī)模量子計算機奠定了堅實基礎(chǔ)。
消息一出，立即引起廣泛關(guān)注。美國太空探索技術(shù)公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克和開放人工智能研究中心（OpenAI）首席執(zhí)行官薩姆·奧爾特曼，也為“威洛”的面世點贊。
何為量子芯片？在科技界掀起如此波瀾的“威洛”究竟是否有“真才實學(xué)”？科技日報記者近日采訪相關(guān)專家，對量子計算一探究竟。
大規(guī)模并行計算有優(yōu)勢
“量子芯片是利用量子糾纏和量子疊加等量子力學(xué)原理進行信息處理的核心部件?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心（IQIT）主任金賢敏對記者解釋道，“傳統(tǒng)芯片基于經(jīng)典物理學(xué)原理，基本信息處理單位為比特，每個比特只能取值0或1；而量子芯片的基本信息處理單位為量子比特，每個量子比特可以為0或1，或兩者的疊加態(tài)。這種疊加態(tài)的存在使量子芯片能夠在同一時間處理多種數(shù)據(jù)，從而比傳統(tǒng)芯片更快、更高效地解決某些復(fù)雜問題?！?/p>
根據(jù)量子力學(xué)原理，量子糾纏是指兩個或多個粒子在相互作用后，它們的狀態(tài)變得緊密相關(guān)，以至于一個粒子的狀態(tài)變化會瞬間影響到與之糾纏的其他粒子的狀態(tài)，無論這些粒子相距多遠。金賢敏介紹：“量子糾纏使量子芯片在處理信息時具有更強的關(guān)聯(lián)性和協(xié)同性。量子疊加和量子糾纏使量子芯片在處理大規(guī)模并行計算時具有顯著優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的計算速度和更強的信息安全性。”
“威洛”由谷歌量子人工智能（AI）部門研發(fā)，內(nèi)含105個物理超導(dǎo)量子比特。該部門負責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文在公司官網(wǎng)撰文稱，“威洛”是部門十幾年辛勤研發(fā)的結(jié)晶，是公司目前最強大的超導(dǎo)量子芯片。
內(nèi)文稱，在設(shè)計和制造量子芯片時，系統(tǒng)工程是關(guān)鍵。為達到最佳性能，他們對芯片的所有組件，如單量子比特和雙量子比特門、量子比特重置和讀出，都進行了良好的設(shè)計和集成。此外，他們還集成了一個持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，其能實時檢測“威洛”內(nèi)可能導(dǎo)致錯誤的干擾，并自動干預(yù)，以維持計算過程的完整性和精確性。
谷歌量子AI部門硬件總監(jiān)朱利安·凱利說，在他們的精心打磨下，“威洛”取得了兩個重大進步：一是糾錯能力顯著提升，二是解決特定問題運算速度更快。
糾錯能力顯著提高
研究團隊在發(fā)表于《自然》的論文中稱，“威洛”首次實現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽在接受《自然》采訪時稱其為“一項真正了不起的技術(shù)突破”。
那么，什么是量子糾錯？
盡管量子計算機有潛力實現(xiàn)超高速運算，但量子比特異常敏感，導(dǎo)致量子計算機極易出錯。而且，量子比特的數(shù)量越多，出錯的可能性越高。這種極高的易錯性，成為阻礙量子計算走向“星辰大?！钡淖畲蟆皵r路虎”。
一個解決方案是量子糾錯，即通過把多個物理量子比特編碼成一個邏輯量子比特，來降低出錯率。這一方法由美國科學(xué)家、量子計算先驅(qū)彼得·肖爾于1995年首次提出，此后科學(xué)家提出了許多不同的編碼方案。谷歌論文中提到的“表面碼”，就是一種常用的量子糾錯方法。
量子糾錯表面碼由俄裔美國物理學(xué)家、加州理工學(xué)院物理系教授阿列克謝·基塔耶夫提出，即用大約2d2（d為碼距）個物理量子比特形成二維量子比特陣列，從而編碼一個邏輯量子比特。表面碼就像一個特殊的“保護罩”，用來保護量子信息，使其不受干擾。碼距越大，保護的能力就越強，而需要的物理量子比特也就越多。例如，谷歌這次就用了105個物理量子比特，來編碼一個碼距為7的邏輯量子比特。
物理量子比特與邏輯量子比特之間的關(guān)系，如同磚塊與墻壁。要想讓邏輯量子比特的“墻壁”建得好，作為“磚塊”的物理量子比特就要少出錯。其出錯率必須低于一個特定閾值，否則只會“越糾越錯”。
而“威洛”實現(xiàn)了“越糾越對”。谷歌團隊的最新研究表明，“威洛”中邏輯量子比特的數(shù)量每增加一次，錯誤率就會降低一半。也就是說，碼距為7的錯誤率是碼距為5的一半；碼距為5的錯誤率是碼距為3的一半，以此類推。目前，研究團隊只展示到碼距為7的情況。
內(nèi)文認(rèn)為，這一成果標(biāo)志著“威洛”實現(xiàn)了低于量子糾錯閾值運行，即在增加量子比特數(shù)量的同時，能夠降低錯誤率，而且是指數(shù)級降低錯誤率。這是構(gòu)建足夠精確且實用的量子計算機的關(guān)鍵里程碑。在此基礎(chǔ)上，他們可以不斷增加量子比特的數(shù)量，制造越來越大、越來越復(fù)雜的量子計算機，并讓其在運行計算方面變得越來越好。
特定領(lǐng)域運算更快
凱利稱，“威洛”取得的第二大進展是在解決特定問題時運算速度更快。
隨機電路采樣（RCS）基準(zhǔn)被廣泛用于量子計算領(lǐng)域，是當(dāng)今量子計算機可完成的難度最高的經(jīng)典基準(zhǔn)。基于該基準(zhǔn)，研究團隊讓“威洛”與世界上最強大的超級計算機之一Frontier（前沿）進行了對決。結(jié)果顯示，“威洛”不到5分鐘完成的計算，F(xiàn)rontier將需要1025年才能完成，這一時間是宇宙年齡138億年的700多萬億倍。
凱利認(rèn)為，這一結(jié)果顯示出在某些應(yīng)用中，經(jīng)典計算和量子計算之間指數(shù)級的差距。
5分鐘與1025年，如此懸殊的數(shù)字對比引起了極大關(guān)注。有人不禁遐想，這是否意味著可以用“威洛”高效地挖比特幣、運行大模型？對此，陸朝陽在此前發(fā)布的視頻中解釋：“實際上，谷歌在這項研究中展示的算力并非通用算力，而是只針對RCS這一特定數(shù)學(xué)問題的專用算力?！?/p>
英國薩里大學(xué)計算機專家艾倫·伍德沃德在接受英國媒體采訪時也提醒，不要夸大“威洛”在單一測試中的表現(xiàn)，測試結(jié)果并不意味著“威洛”相比傳統(tǒng)計算機實現(xiàn)了全面提速。不過，他認(rèn)為“威洛”在量子糾錯能力上的提升，是一個“重要的里程碑”。
金賢敏則認(rèn)為，量子計算機的發(fā)展不僅需要提升硬件的糾錯能力，還需要結(jié)合當(dāng)前含噪中等規(guī)模的量子硬件進行協(xié)同設(shè)計，充分發(fā)揮量子硬件的獨特優(yōu)勢，并有針對性地開發(fā)創(chuàng)新的量子算法與計算范式，這也是推動量子硬件計算能力充分發(fā)揮的必要研究方向。
