本文转自：中国电子报

当地时刻12月9日，谷歌公布其最新超导量子揣度芯片Willow，在赶紧电路采样（RCS）基准测试中，Willow在5分钟内完成了现时最苍劲的超等揣度机之一需要10的25次方年（比寰宇年齿还长）才气完成的揣度任务。谷歌首席实践官桑达尔·皮查伊在应对平台发布这一讯息后，收到了SpaceX创始东说念主马斯克、OpenAI首席实践官奥特曼的留言互动，皮查伊还与马斯克在辩论区计划了诓骗星舰在天外构建量子集群的可能性。

除了在RCS基准测试上获得惊东说念主的收获，Willow在量子纠错、关联时刻、系统工程等方面，也获得了冲突性进展。

破解困扰量子纠错限制近30年的关键问题

诚然有“10的25次方年”这一具有冲击力的测试数据，但在盘货Willow的高光亮点时，谷歌量子AI团队首推在量子纠错限制已毕的进展，并称其“处罚了量子纠错限制近30年来的关键挑战”。

造作率一直是量子揣度最大的挑战之一。微软Azure Quantum团队默示，比拟表率揣度机CPU每十亿一次（EPB）到每万亿一次（EPT）的造作率，量子揣度机的造作率要高得多。量子门中的噪声、退关联和颓势，齐可能导致量子揣度出错。现时滥觞进的量子揣度机的造作率频频在1%~0.1%，这意味着平均每100到1000次量子门操作中就有一次会导致造作。

针对这一问题，麻省理工学院应用数学教学彼得·肖尔（Peter Shor）在1995年提议量子纠错表面，中枢念念想是将多个物理量子比特编码为逻辑量子比特，基于两者的映射关系，使逻辑比特大约检测并更正某些造作。肖尔斥地了第一个量子纠错码（肖尔码），用九个量子比特编码逻辑量子比特，以更正比特翻转和相位翻转造作。

基于量子纠错理念，多样类型的量子纠错代码被链接提议。其中，名义码被以为是工程已毕价值较高的编码面貌。名义码是一种拓扑纠错码，用二维量子比脾气阵编码逻辑量子比特，具有较高的纠错阈值。北京量子信息科学商榷院商榷员金贻荣曾撰文指出，名义码模块化的筹画门径使得拓扑码具有精采的可膨胀性，适合工程化已毕的条目。名义码只需要相近耦合，对造作率的阈值条目比较低，尽管其编码恶果不高，但已成为现在最具工程已毕价值的编码门径之一，相等稳当超导量子芯片。

而名义码要在量子纠错中线路效率，就要使物理造作率低于名义码的造作率临界阈值。当低于阈值时，逻辑造作率将跟着量子比特的加多呈指数级扼制。

谷歌Willow的关键进展就在于，已毕了逻辑量子比特以低于量子纠错阈值的造作率运转。这是“低于阈值”表面自20世纪90年代提议以来，量子揣度产业遥远追求的标的。在测试中，Willow使用的量子比特越多，造作就越少，系统的量子化进度也就越高。谷歌团队测试了从3×3到5×5再到7×7的物理量子比特阵列，造作率顺序减半。这意味着谷歌已毕了“低于阈值”，不错在扩多数子比特数目的同期裁减造作率。

“每次咱们添加物理量子比特，并将名义码的码距（将一个代码字改变为另一个代码字的最小造作数）从3加多到5再到7时，造作率齐会减半。”谷歌硬件独揽Julian Kelly默示。

同期，Willow“低于阈值”的系统还初度在超导量子系统已毕及时纠错，使造作大约在对揣度产生龙套之前就被更正，超越了纠错的盈亏均衡点，已毕了逻辑量子比特的寿命比参与编码的总共物理量子比特的寿命齐长。该系统为构建可膨胀的逻辑量子比特提供了原型，也让通过添加更大批子比特来构建更高大复杂的量子芯片成为可能。

揣度才略和职责时刻显贵越过

除了在量子纠错的显贵进展，Willow还在基础测试中展现出更强的揣度才略和关联时刻。

凭借105个量子比特，Willow在赶紧电路采样（RCS）基准测试中，以不到5分钟的时刻完成了一项揣度，而现时最快的超等揣度机之一需要1025年才气完成归并任务——而这一时长如故超越了物理学中已知的时刻模范，也远远超越寰宇的年齿。

谷歌量子AI创始东说念主哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）默示，Willow的RCS测试限度，为量子揣度发生在多个平行寰宇的不雅点提供了真实度。牛津大学教学大卫·多伊奇肯定量子揣度机将为平行寰宇的存在提供凭据。

RCS是谷歌量子AI团队创举的基准测试。被乃文刻画为现在量子揣度机最难的经典基准测试，大约评掂量子揣度机超越经典超等揣度机的才略。在2019年10月的RCS测试中，谷歌量子处理器Sycamore苟简需要200秒对量子电路的一个实例进行100万次采样，那时滥觞进的经典超等揣度机需要1万年才气完成同等任务。比拟之下，Willow展示了更惊东说念主的揣度性能。

Willow获得冲突的另一个进攻性能标的是关联时刻，也便是量子比特保抓预期现象的时刻长度。肖尔曾指出，量子揣度的主要不毛之一是退关联龙套了量子揣度机中包含的现象调换讯息，从而使永劫刻的揣度变得难以已毕。

在测试中，Willow将量子关联时刻提高了5倍，达到100微秒，是Sycamore的5倍，且莫得糟跶系统的任何功能。

从具体来看，Willow进步的关联时刻是T1时刻。据国仪量子先容，量子揣度的关联时刻频频饶恕两个参数：T1时刻和T2时刻。T1时刻决定了能在多永劫刻内区重量子比特的现象1和现象0。当一个量子比特被引发到高能级（引发态）时，访佛经典比特从0到1。在T1时刻内，量子比特会从高能态复返到幼稚态，即从1变回0。这意味着量子比特会失去捎带的信息。

基于此，Willow大约保管比Sycamore更长的揣度“职责时刻”，完成更多的揣度。

Willow的性能跃升，也离不开制造技巧的越过。Willow的坐蓐是在谷歌位于圣巴巴拉的新制造工场完成的。乃文默示，筹画和制造量子芯骤然，系统工程是关键。芯片的总共组件，如单量子比特门和双量子比特门、量子比特重置和读取，齐必须流程紧密的筹画和集成。要是任何一个组件滞后，或者两个组件难以协同，就会牵涉全体的系统性能阐扬。

面向往日的发展，乃文默示，量子揣度芯片的下一个挑战是在实质应用中展现“有效、超越经典”的揣度。在Willow的RCS基准测试中，并莫得运转已知的实质应用。“咱们的标的是同期作念到这两点——踏入经典揣度机无法企及且对施行世界、买卖有关问题有效的算法限制。”乃文说说念。