潘禺：谷歌量子計算芯片給了國內產業界緊迫感-心智觀察所、潘禺

【文/觀察者網專欄作者 潘禺】

12月10日，谷歌重磅推出量子計算芯片“Willow”，在公關宣傳攻勢下，馬斯克送上了“Wow”，奧特曼也發來了賀電。

Willow是一款擁有105個物理量子比特的量子芯片，亮點在於其驚人的計算速度和錯誤校正能力。據報道，Willow能在不到5分鐘的時間內完成一個標準計算任務，而這個任務如果交給全球最快的超級計算機，可能需要超過10-25年，這個數字甚至超過了宇宙的年齡。

Willow的另一個成就是其指數級減少錯誤率的能力。隨着量子比特數量的增加，錯誤率通常會指數增長，但Willow通過先進的量子糾錯技術，實現了錯誤率的指數級降低。每當晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時，編碼錯誤率就會以2.14的倍率降低。這種對邏輯錯誤的潛在抑制為運行有糾錯的大規模量子算法奠定了基礎。

Google Quantum AI團隊的工作環境

權威專家的反****應

量子計算的教主和旗手，美國計算機科學家Scott Joel Aaronson在他的博客也做了一些點評，儘管整體上比較積極樂觀，但話裏話外還是有一些玄機。

比如，Aaronson要讀者明確，進步大體上符合多數人的預期：

對於過去五年一直在關注實驗量子計算的人來説（比如説，從2019年穀歌的原始量子霸權里程碑開始），這裏沒有什麼特別的震驚。自2019年以來，谷歌在其芯片上的量子比特數量大約翻了一番，更重要的是，將量子比特的相干時間提高了5倍。與此同時，他們的2量子比特門保真度現在大約是99.7%（對於受控-Z門）或99.85%（對於“iswap”門），相比之下2019年是~99.5%。

他談到最重要的是量子容錯跨過了門檻，但離“真正的”容錯量子比特還有距離：

從科學上講，頭條結果是，隨着他們增加表面碼的大小，從3×3到5×5到7×7，谷歌發現他們的編碼邏輯量子比特存活時間變長而不是變短。所以，這是一個非常重要的門檻，現在已經被跨越了。正如Dave Bacon對我説的，“現在形成了漩渦”——或者，換個比喻，30年後，我們終於開始觸及量子容錯的龍尾，這條龍（一旦完全喚醒）將允許邏輯量子比特被保存和操作幾乎任意長的時間，允許可擴展的量子計算。

話雖如此，Sergio Boixo告訴我，谷歌只有在能夠以~10^-6的錯誤進行容錯的兩量子比特門（因此，在遭受一個錯誤之前，大約可以進行一百萬次容錯操作）時，才會認為自己創造了一個“真正的”容錯量子比特。我們還離這個里程碑有一段距離：畢竟，在這個實驗中，谷歌只創建了一個編碼量子比特，甚至沒有嘗試在其上進行編碼操作，更不用説在多個編碼量子比特上了。

Aaronson也談到了谷歌這次秒殺超算10^25年的“量子霸權實驗”：

谷歌還宣佈了在其105量子比特芯片上進行新的量子霸權實驗，基於40層門的隨機電路採樣。值得注意的是，他們説，如果你使用目前已知的最佳模擬算法（基於Johnnie Gray的優化張量網絡收縮），以及一台百億億次超級計算機，他們的新實驗如果不考慮內存問題，需要大約3億年才能在經典計算機上模擬，或者如果考慮內存問題，需要大約10^25年（注意，自大爆炸以來只過去了大約10^10年）。

他指出這裏“10^25年”結果的最大問題，也就是谷歌量子芯片的計算結果沒有直接的驗證。他擔心谷歌沒有給予足夠的關注：

由於同樣的原因（據大家所知），經典計算機模擬這一量子計算將花費約10^25年，因此經典計算機直接驗證量子計算結果也需要約10^25年！（例如，通過計算輸出的“線性交叉熵”得分）。因此，谷歌的新量子霸權實驗的所有驗證都是間接的，基於較小電路的外推，而這些電路是經典計算機可以實際檢查結果的。需要明確的是，我個人沒有理由懷疑這些外推結果。但是，對於那些奇怪為什麼我多年來一直痴迷於設計高效驗證的近期量子霸權實驗的原因：這就是原因！我們現在深陷於我之前警告過的不可驗證的領域。

以色列數學家和計算機科學家，量子計算懷疑論者Gil Kalai則在博客上寫道：

我們還沒有研究Google Quantum AI的這些特定聲明，但我的一般結論適用於它們：應謹慎對待 Google Quantum AI 的聲明（包括已發佈的聲明），尤其是那些具有特殊性質的聲明。這些説法可能源於重大的方法論錯誤，因此，可能更多地反映了研究人員的期望，而不是客觀的科學現實。

Gil Kalai還在這篇博文中談到了量子計算炒作和比特幣的問題：

當2019年穀歌的量子霸權主張發佈（或者更確切地説是泄露）時，有很多説法認為這意味着量子計算機就在附近，因此比特幣所需的密碼學將是可破解的，比特幣將失去其價值。

我通常不介意“炒作”，因為它反映了科學家對他們工作的熱情和公眾對科學努力的興奮。然而，就谷歌而言，需要謹慎行事。例如，在2019年宣佈“霸權”之後，比特幣的價值在短短幾天內（2019年10月24日左右，經過一段時間的穩定）從大約9,500美元跌至約8,500美元，給投資者帶來了超過100億美元的損失。比特幣今天的價值約為100,000美元。此外，谷歌的斷言可能對其它量子計算工作提出了不切實際的挑戰，並鼓勵了不受歡迎的科學方法的文化。

跨越量子糾錯的門檻

正如Aaronson所説，這次值得稱道的，不是無法直接驗證的“量子霸權”實驗，而是量子容錯跨過了門檻。

對於實用的量子計算機的主要困難，和對其中炒作的重新審視，心智觀察所此前在《美國開始重新審視量子計算機，這對中國很重要》一文中已經做了詳細介紹。

這次Google Quantum AI團隊在《自然》雜誌上發表的論文，其重要成果是跨過了量子糾錯的閾值，這又是怎麼回事呢？

構建量子計算機的研究人員面臨的中心挑戰，是如何用不完美的部件構建出完美的機器。他們的基本構建塊，也就是量子比特，對外界干擾極其敏感。今天的原型量子計算機過於容易出錯，無法做任何有用的事情。

上世紀90年代，研究人員為克服這些錯誤奠定了理論基礎，稱為量子糾錯。關鍵思想是誘使一組物理量子比特協同工作，作為一個單一的高質量“邏輯量子比特”。然後計算機將使用許多這樣的邏輯量子比特進行計算。他們通過將許多有缺陷的組件轉化為較少的可靠組件來製造那台完美的機器。

這種計算的鍊金術也有侷限，如果物理量子比特太容易失敗，糾錯反而會適得其反。也就是增加更多的物理量子比特會使邏輯量子比特變得更糟，而不是更好。但如果錯誤率低於特定閾值，平衡就會傾斜：你增加的物理量子比特越多，每個邏輯量子比特就變得越有彈性。

這次谷歌團隊終於跨越了這個閾值。他們將一組物理量子比特轉化為一個邏輯量子比特，隨着他們向該組添加更多的物理量子比特，邏輯量子比特的錯誤率急劇下降。

考慮一台經典計算機，信息表示為一串比特，0或1。任何隨機的故障，如果翻轉了比特的值，都會導致錯誤。為了防範錯誤，可以將信息分散到多個比特上，每個0重寫為000，每個1重寫為111。如果一組中的三個比特不是全部具有相同的值，你就會知道發生了錯誤，多數投票將修復錯誤的比特。但如果三元組中的兩個比特同時出錯，多數投票將返回錯誤的答案。

如果增加每個組中的比特數量，比如五比特，雖然這種更大的代碼可以處理更多的錯誤，你也引入了更多可能出錯的方式。只有當每個單獨比特的錯誤率低於特定閾值時，淨效應才是有益的，比如五比特版本可以容忍每個組中的兩個錯誤。

在量子世界中，情況更加棘手。量子計算中的每一步都是另一個錯誤源，糾錯過程本身也是如此。更重要的是，沒有辦法在不不可逆地干擾它的情況下測量量子比特的狀態。所以，起初許多研究人員認為量子糾錯是不可能的。

1995年，俄羅斯物理學家阿列克謝·基塔耶夫聽到了量子計算的重大理論突破的報告。前一年，美國應用數學家彼得·肖爾設計了一個量子算法，可以將大數分解成它們的質因數。基塔耶夫無法獲得肖爾論文的副本，所以他從頭開始自己設計了一個版本——結果比肖爾的更通用。普雷斯基爾對這個結果感到興奮，並邀請基塔耶夫訪問他在加州理工學院的團隊。

俄羅斯物理學家阿列克謝·基塔耶夫

基塔耶夫首次提出了一個有希望的理論方法，稱為量子糾錯的表面碼。

1997年春天的短暫訪問成果非凡。基塔耶夫告訴普雷斯基爾他一直在追求的兩個新想法：一種“拓撲”量子計算方法，根本不需要主動糾錯，以及基於類似數學的量子糾錯碼。起初，他不認為那個代碼對量子計算有用。普雷斯基爾更加樂觀，並説服基塔耶夫，他最初想法的輕微變化值得追求。

這個變化就是表面碼，基於兩個重疊的物理量子比特網格。第一個網格中的是“數據”量子比特，這些共同編碼一個單一的邏輯量子比特。第二個網格中的是“測量”量子比特，這些允許研究人員間接地尋找錯誤，而不會干擾計算。

表面碼有很多優勢。其錯誤檢查方案比競爭的量子碼簡單得多。它還只涉及相鄰量子比特之間的相互作用。2006年，兩位研究人員展示了優化版本的代碼錯誤閾值約為1%，是早期量子碼閾值的100倍，也就是對錯誤率寬容了100倍。

雖然通過足夠巧妙的工程手段，科學家預計最終能夠將物理量子比特的錯誤率降低到0.1%，遠低於表面碼的閾值，但建造一台全尺寸量子計算機並不容易。粗略估計表明，實際應用肖爾的因數分解算法需要數萬億次操作。任何一個未校正的錯誤都會破壞整個計算。因此，需要將每個邏輯量子比特的錯誤率降低到遠低於一萬億分之一。每個邏輯量子比特可能需要數千個物理量子比特。如此巨大的物理量子比特需求就太嚇人了。

谷歌團隊花費了多年時間改進他們的量子比特設計和製造過程，他們採用超導量子比特，這是由超導金屬在硅芯片上製成的微小電路，一個單獨的芯片可以容納許多排列成網格的量子比特，這正是表面碼所要求的佈局。

構建單個物理量子比特，其錯誤率低於表面碼閾值，這並不難，關鍵是看看這些量子比特是否能夠協同工作，製造出一個比部分之和更好的邏輯量子比特。也就是擴展代碼時，通過使用更大的物理量子比特網格區域來編碼邏輯量子比特，錯誤率會降低。

從可能的最小表面碼開始，這叫“距離3”碼，使用3乘3的物理量子比特網格來編碼一個邏輯量子比特（另外還有八個量子比特用於測量，總共17個）。向上升級是距離5的表面碼，總共有49個量子比特。（只有奇數的碼距離才有用。）

在2023年的一篇論文中，團隊報告説，距離5碼的錯誤率比距離3碼略低。在2024年初，他們有了一塊全新的72量子比特芯片，代號為Willow，進行測試。進一步的實驗表明，距離5碼的錯誤率不是比距離3碼略低，而是降低了50%，代碼距離的一步提升將邏輯量子比特的錯誤率減半。

但是距離7碼需要97個量子比特，超過了他們芯片上的總數。直到今年八月，一批新的105量子比特Willow芯片問世。團隊進一步發現，從距離5碼到距離7碼再次將邏輯量子比特的錯誤率減半。

前路漫漫，“緊迫性非常強”

這個結果當然令量子計算研究人員興奮不已。與此同時，研究人員認識到他們還有很長的路要走。谷歌團隊目前只展示了使用單個邏輯量子比特的錯誤校正。在多個邏輯量子比特之間添加交互將帶來新的實驗挑戰。

還有擴展的問題。為了使錯誤率足夠低以進行有用的量子計算，研究人員需要進一步提高他們的物理量子比特。他們還需要製造出比距離7碼更大的邏輯量子比特。最後，他們需要將這些邏輯量子比特組合起來——超過100萬個物理量子比特。

當然，量子計算仍處於起步階段，也許還會有替代的技術出現。

Aaronson在博客裏的一條留言回覆中説得好（此君精力旺盛，帶好幾個博士生，還帶着他的幾個孩子，每天下筆千行，這篇最新的博文還和讀者聊起了敍利亞局勢）：

如果有人認為我們即將獲得個人QC（注：量子計算機），這將加快我們所做的一切，則需要告訴他們“QC 時代”還沒有到來（事實上，可能永遠不會到來）。另一方面，如果有人認為QC完全是騙局或誤解，並且量子糾錯在現實世界中永遠行不通，那麼他們需要被告知“QC 時代”已經到來。

谷歌的成果也激勵了中國國內的同行。

中關村量子科技孵化器總經理、量子產業平台“光子盒”創始人顧成建告訴心智觀察所：

過去一兩年國內外都在“卷”量子比特數，如果不解決糾錯平衡點問題，比特數越多理論上運算結果錯誤越多。谷歌這次首次突破量子糾錯閾值，Willow能夠以指數級減少錯誤！這解決了量子糾錯領域近30年來一直追求的一個關鍵挑戰。這層窗户紙的捅破，為大家對量子計算的研發進程大大提升了信心，未來的想象空間很大很樂觀，雖然其展示的隨機電路採樣（RCS）基準計算問題仍然不是一個有實際意義的問題，但未來在密碼破解和物理世界模擬表徵上，如醫藥、新材料研發，樂觀估計可能三五年內就會有實際應用出來，已經不遠了。

國內產業界對谷歌的反應是普遍感到“緊迫性非常強”，也覺得谷歌帶來了方向感和信心，證明這條路是走得下去的。具體到國內，此前百度、阿里撤出量子計算研究，一度引發關注，不過國內的主要研究力量還是在體制內，以國家實驗室牽頭，北京量子院、深圳量子院在人力和投入上都在穩定提升，勢頭良好，聽説海外也有好幾個團隊打算回國來做。如果和經典計算機產業史比較，谷歌這次突破，可以類比1947年人類晶體管的發明，取代真空管的歷史性時刻，未來的3-5年內，我們將不斷見證量子計算的爆炸性時刻。

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