谷歌的新型量子芯片解决了最好的超级计算机需要宇宙年龄四万亿倍才能破解的问题

谷歌的新型 105 量子位“Willow”量子处理器已经超越了 1995 年首次提出的一个关键里程碑——随着量子计算机规模的扩大，错误现在呈指数级减少。

谷歌科学家创造了一种新型量子处理器，它在五分钟内解决了世界上最好的超级计算机需要 10 亿年才能解决的问题。这一突破将使量子计算机变得越大，就越不容易出错，从而实现克服数十年障碍的里程碑。

量子计算机本质上是“嘈杂的”，这意味着，如果没有纠错技术，每 1,000 个量子位（量子计算机的基本构建模块）中的每一个都会失败。

这也意味着相干时间（量子位可以保持叠加状态的时间，以便它们可以并行处理计算）仍然很短。相比之下，传统计算机中十亿比特中的每一个都会发生故障。

这种高错误率是扩大这些机器的主要障碍之一，因此它们足以比最快的超级计算机表现得更好。这就是为什么研究集中在构建具有更好、更不易出错（而不仅仅是更多）量子位的量子计算机。

谷歌表示，其新的量子处理单元（QPU）（被称为“Willow”）是世界上第一个实现“低于阈值”的结果的计算机科学家Peter Shor 概述的里程碑1995 年的论文。该团队在 12 月 9 日发表在《自然》杂志上的一项研究中概述了该技术。

解决几十年前提出的问题

这一突破——实现“低于阈值”的里程碑——意味着随着添加更多物理量子位，量子计算机中的错误将呈指数级减少。它描绘了未来扩大量子机器规模的道路。

该技术依赖于逻辑量子位。这是使用晶格形式的物理量子位集合编码的量子位。单个逻辑量子位中的所有物理量子位共享相同的数据，这意味着如果任何量子位失败，计算将继续，因为仍然可以在逻辑量子位中找到信息。

谷歌科学家通过多次转变构建了足够可靠的量子位，以减少指数误差。他们改进了校准协议，改进了识别错误的机器学习技术，并改进了设备制造方法。最重要的是，他们提高了相干时间，同时保留了调整物理量子位以获得最佳性能的能力。

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“我们在量子纠错方面所做的事情是一个非常重要的里程碑——对于科学界和量子计算的未来来说——这表明我们可以制造一个在量子纠错以下运行的系统阈值，”Google Quantum AI 量子硬件总监朱利安·凯利 (Julian Kelly) 告诉 Live Science。

这项具有挑战性的任务需要从系统中消除比引入的错误更多的错误。凯利解释说，低于这个阈值，科学家可以将量子计算机规模越来越大，并且错误将继续下降。

凯利说：“自 20 世纪 90 年代中期提出量子纠错的想法以来，这一直是 30 年来的一项突出挑战。”

量子计算的令人难以置信的结果

谷歌研究人员根据随机电路采样（RCS）基准对 Willow 进行了测试，该基准现在是评估量子计算芯片的标准指标。在这些测试中，Willow 在五分钟内完成了一次计算，这对于当今最快的超级计算机来说需要 10 亿年的时间。这比宇宙的年龄长了近四万亿倍。

第一版 Willow QPU 还可以实现近 100 微秒的相干时间，这比谷歌之前的 Sycamore 芯片的表现好五倍。

谷歌于 2019 年首次宣布 Sycamore 通过了 RCS 基准，当时科学家使用该芯片解决了传统超级计算机需要 10,000 年才能计算的问题。 7 月，Quantinuum 制造的新型量子计算机将这一记录打破了 100 倍。

随后，10 月，Google 再次宣布在使用 Sycamore 处理计算时发现了一个新的“量子阶段”，这意味着当今最好的 QPU 在实际应用中首次可以超越最快的超级计算机。

“现在的相干时间比以前高得多，我们立即将所有物理操作错误率基本上降低了大约两倍，”凯利说。

“所以所有底层量子位在它们所做的一切事情上都变得更好了大约两倍。如果你看看这个新处理器和 Sycamore 之间的逻辑错误率，就会发现大约有 20 倍的差异——这来自于扩展，但也低于阈值。”

超越“低于阈值”

谷歌科学家现在的目标是展示当今量子芯片的有用且实用的计算，而不是依赖基准测试。

凯利告诉《生活科学》杂志，过去，该团队对量子系统进行了模拟，从而带来了科学发现和突破。

一个例子包括发现与假设的物理定律的偏差。但这些结果仍然是最强大的经典计算机所能达到的。

接下来，该团队希望创建一个“非常非常好的逻辑量子位”，错误率为百万分之一。他们说，为了构建这个，他们需要将 1,457 个物理量子位拼接在一起。

这个领域具有挑战性，因为仅使用物理硬件不可能实现这一目标，您需要在顶层使用纠错技术。然后，科学家们希望将逻辑量子位连接在一起，以便在基准测试和现实场景中比超级计算机表现得更好。