谷歌跨越量子糾錯(cuò)難題，中美量子科技競(jìng)爭(zhēng)焦灼

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近期，谷歌發(fā)布了一款量子芯片Willow，這款芯片在多項(xiàng)指標(biāo)中均有了重大突破，甚至解決了量子糾錯(cuò)領(lǐng)域近30年來(lái)一直試圖攻克的關(guān)鍵難題。不過(guò)目前該芯片仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離商業(yè)應(yīng)用還需要時(shí)間。

與此同時(shí)，中國(guó)在量子科技領(lǐng)域，不少國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)及相關(guān)企業(yè)也在穩(wěn)步推進(jìn)中，部分成果已經(jīng)領(lǐng)先于全球。目前量子科技領(lǐng)域，中美之間的競(jìng)爭(zhēng)仍處于焦灼狀態(tài)，在各個(gè)領(lǐng)域互有勝負(fù)。

谷歌發(fā)布超強(qiáng)量子芯片Willow，跨越容錯(cuò)難題

谷歌在近期發(fā)布了一款擁有105個(gè)物理量子比特的量子芯片Willow，得益于更多的物理量子，該芯片具備驚人的計(jì)算速度和錯(cuò)誤校正能力。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，Willow可以在不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)。這項(xiàng)計(jì)算任務(wù)即便交由目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，位于美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，擁有1.742 EFlop/s（百億億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的Rmax算力的El Capitan，需要10^25年，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙誕生的時(shí)間。

而之所以量子芯片能夠?qū)崿F(xiàn)如此高速運(yùn)算，原因在于量子比特遵循量子力學(xué)原理。不同于經(jīng)典比特只能處于0或1的狀態(tài)，量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)。打個(gè)比方，10個(gè)經(jīng)典比特只能表示一個(gè)10位的二進(jìn)制數(shù)，而10個(gè)量子比特可以同時(shí)表示2^10個(gè)狀態(tài)，即1024種可能性。而Willow芯片微105個(gè)量子比特，意味著可以同時(shí)表示2^105個(gè)狀態(tài)，這甚至比撒哈拉沙漠中的沙子數(shù)量還多。

當(dāng)量子比特?cái)?shù)量增加到一定程度時(shí)，其能夠表示的狀態(tài)數(shù)量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典比特所能表示的數(shù)量。這使得量子芯片在處理信息時(shí)具有天然的并行性，能夠同時(shí)處理大量的計(jì)算任務(wù)，從而大大提高計(jì)算速度。

此外，Willow的另一個(gè)突破，是成指數(shù)級(jí)減少了錯(cuò)誤率的能力。通常隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯(cuò)誤率也會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)，但Willow通過(guò)先進(jìn)的量子糾錯(cuò)能力，實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)降低。

報(bào)道顯示，每當(dāng)晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時(shí)，編碼錯(cuò)誤率就會(huì)以2.14的倍率降低。這項(xiàng)技術(shù)破解了計(jì)算領(lǐng)域近30年來(lái)的難題，跨越了量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵閾值。證明了通過(guò)增加量子比特?cái)?shù)量來(lái)降低錯(cuò)誤率是可行的，為未來(lái)構(gòu)建更大規(guī)模、更可靠的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

要知道量子比特在處于疊加態(tài)時(shí)，非常容易受到環(huán)境因素的干擾，如溫度、電磁場(chǎng)、宇宙射線等，從而導(dǎo)致量子態(tài)的退相干，使疊加態(tài)信息丟失或錯(cuò)誤，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果。因此在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究中，研究員們發(fā)現(xiàn)，隨著量子比特的增多，錯(cuò)誤也在呈指數(shù)級(jí)上升。

但量子比特太少，沒有實(shí)際意義，甚至運(yùn)算上還比不過(guò)超算，而量子比特增多，又會(huì)遇到計(jì)算錯(cuò)誤的問題。谷歌依靠表面碼作為其量子糾錯(cuò)技術(shù)通過(guò)將多個(gè)物理量子比特組合成一個(gè)邏輯量子比特，構(gòu)建了兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，一層是數(shù)據(jù)量子比特，另一層用于間接測(cè)量錯(cuò)誤并幫助糾正，讓更多的量子比特成為可能，對(duì)量子計(jì)算有重大意義。

中美量子科技同屬第一梯隊(duì)，但商用時(shí)間還早

與此同時(shí)，作為全球與美國(guó)在量子科技同屬第一梯隊(duì)的中國(guó)，近些年來(lái)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多個(gè)單位的科研團(tuán)隊(duì)均在量子計(jì)算領(lǐng)域有所布局。

2019年和2020年，美國(guó)和中國(guó)相繼推出量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”和“九章”，實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，其中“九章”使用的是光量子技術(shù)路線。

到了近期，由中國(guó)科學(xué)家研制的105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)相關(guān)成果在arXiv線上發(fā)表。數(shù)據(jù)表明，“祖沖之三號(hào)”的性能超過(guò)2024年10月谷歌發(fā)表的72比特Sycamore處理器6個(gè)數(shù)量級(jí)，為目前超導(dǎo)量子計(jì)算的最強(qiáng)優(yōu)越性。

目前“祖沖之三號(hào)”與Willow，兩者的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了同一量級(jí)，“祖沖之三號(hào)”實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子計(jì)算的最強(qiáng)優(yōu)越性，而Willow在糾錯(cuò)上獲得了重大進(jìn)展。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，經(jīng)過(guò)20余年的努力，我國(guó)量子科技領(lǐng)域整體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍。

從市場(chǎng)來(lái)看，據(jù)ICVTA&K的預(yù)測(cè)，全球2023年量子產(chǎn)業(yè)的總體市場(chǎng)規(guī)?；蜻_(dá)到72.4億美元，到2030年，全球量子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)?；蚩蛇_(dá)到2391億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)65%。

同時(shí)，有專家表示，目前量子計(jì)算主要分為超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體等路線，而我國(guó)在超導(dǎo)和光量子領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)，均已實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性。包括谷歌的Willow與我國(guó)的“祖沖之三號(hào)”均為超導(dǎo)路線，但超導(dǎo)體需要在毫開爾文的低溫環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場(chǎng)景中的部署。

而光量子路線則是目前唯一沒有明顯短板的方向，具備可室溫運(yùn)行、芯片化和兼容人工智能的優(yōu)勢(shì)。并且光量子芯片制造可使用成熟的CMOS工藝，無(wú)需依賴國(guó)外高端光刻機(jī)和制程工藝。

今年9月，上海交大無(wú)錫光子芯片研究院光子芯片中試線建成啟用，該中試線總面積3.5萬(wàn)平方米，總投入6.5億元，具有98臺(tái)CMOS工藝設(shè)備和CIM芯片智能制造系統(tǒng)，設(shè)備配套齊全，形成自主可控的工藝閉環(huán)。預(yù)計(jì)2025年第一季度，將發(fā)布PDK工藝設(shè)計(jì)包。

盡管如此，從實(shí)際來(lái)看，目前的量子芯片仍然處于初級(jí)階段，量子比特?cái)?shù)量仍然在百位級(jí)左右，想要解決復(fù)雜實(shí)際問題需要上百萬(wàn)的糾錯(cuò)量子比特。

至于何時(shí)能夠讓量子計(jì)算進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化，可能還需要10-20年時(shí)間，不過(guò)在一些特定領(lǐng)域，例如量子化學(xué)模擬、加密破解等，可能會(huì)在未來(lái)的5-10年內(nèi)出現(xiàn)實(shí)用化的特定解決方案。

寫在最后

目前來(lái)看，盡管中美對(duì)于量子計(jì)算的研究已經(jīng)較為深入，但真正商用還有一段距離。據(jù)人民日?qǐng)?bào)報(bào)道，目前量子計(jì)算發(fā)展可以大致分為三步，第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，目前中美均已達(dá)到，第二步是研制專用的量子模擬機(jī)，第三部則是在量子糾錯(cuò)的輔助下研制可編程通用量子計(jì)算機(jī)。

據(jù)專家介紹，我國(guó)剛進(jìn)入到第二階段，科學(xué)家們正在致力于構(gòu)建專用量子模擬機(jī)，期望在未來(lái)3-5年時(shí)間，能夠解決一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵問題。例如復(fù)雜計(jì)算難題的求解，甚至哥德巴赫猜想等純數(shù)學(xué)理論問題也有望會(huì)因量子計(jì)算的強(qiáng)大能力而取得突破。

此外，在物理、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究中，量子計(jì)算能夠模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，幫助科學(xué)家更好地理解物質(zhì)的本質(zhì)和相互作用。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在高精度測(cè)量、信息安全、新藥研發(fā)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、新材料應(yīng)用等領(lǐng)域的快速突破。