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量子計算機賽道里，擠滿了巨頭和初創公司。由于量子計算機可以執行工作負載，解決現階段即使是最強大的計算機都無法解決的問題，因此在全球范圍內，量子計算市場正高速增長，數十億美元流入這個領域。
由于這項技術尚處于早期階段，量子計算帶來的收入仍然比支出少很多倍，而且真正的量子計算機何時出現仍然存在爭議。構建量子計算機面臨許多難題，其中一個關鍵因素是「量子糾錯」。
量子比特是量子計算的基本運算單元，即量子系統的組成部分，它對溫度波動、電磁輻射和振動等一系列外界干擾都非常敏感。而量子糾錯作為保護量子比特不受錯誤影響的一系列技術，對于確保量子計算的準確性至關重要。
位于加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能實驗室的研究人員表示，他們已經解決了量子系統糾錯的一個關鍵挑戰，這是科學家們三十年來一直試圖破解的問題。在一個系統中使用的量子比特越多，錯誤就會越多，而量子計算的發展需要滿足的另一個必要條件是系統擴展的能力，但錯誤與量子比特數量成正比無疑對系統的擴展造成了阻礙。
谷歌實驗室的研究科學家Michael Newman表示，糾錯需要將許多物理量子比特聚集到一起，讓它們協同工作，從而形成一個邏輯量子比特以實現量子糾錯。
Newman在一次視頻采訪中告訴記者和分析師：“我們希望，隨著這些量子比特的集合越來越大，糾錯的次數越來越多，實現量子比特越來越準確。問題是，隨著量子比特的集合變得越來越大，也會有更多的錯誤出現，所以我們需要足夠好的設備，這樣當我們把集合做大時，糾錯才可以克服這些額外錯誤。”
20世紀90年代，「量子糾錯閾值」概念被提出，其想法是如果量子比特足夠好，那么隨著系統變得更大，這些物理量子比特組也可以變大，而且不會出現額外錯誤。谷歌表示，這是一個三十年的目標，直到現在還沒有實現。
本周在《自然》雜志上，谷歌介紹了最新的量子芯片Willow，其前身是谷歌旗下的Sycamore量子處理器。在使用72量子比特和105量子比特的Willow處理器實驗中，谷歌的研究人員測試了越來越大的物理量子位陣列，即邏輯量子比特，這些陣列大小從3×3、5×5到7×7不等，每次邏輯量子位的尺寸增加，都能實現錯誤率「不增反降」。
Newman稱：“每次我們增加邏輯量子比特，或者進行差異化分組，從3×3、5×5再到7×7的物理量子位陣列，錯誤率都沒有上升，而且它實際上一直在下降。我們每一次增加尺寸，都會使錯誤率下降兩倍。”
谷歌的量子硬件主管Julian Kelly稱糾錯是“量子計算機的終極游戲”，并補充到：“要明確的是，如果你沒有低于閾值，那么進行量子糾錯真的沒有意義，低于閾值是使這項技術成為現實的關鍵因素。”
在《自然》的研究論文中，研究人員寫道：“雖然許多平臺已經展示了量子糾錯的不同特征，但沒有一個量子處理器明確顯示出低于閾值的性能。”他們補充說，量子計算容錯需要的不僅是原始性能，還需要隨著時間的推移保持穩定性，消除諸如泄漏之類的錯誤來源，并提高傳統處理器的性能。而超導量子比特的操作時間從幾十納秒到幾百納秒不等，這在速度上提供了優勢，但也對快速準確地解碼錯誤提出了挑戰。
Kelly在發布會上稱，Willow糾錯能力提升的關鍵是芯片中改進的量子比特，她說：“Willow集成了Sycamore的所有優點，在此基礎上有了更好且更多的量子比特。”
在《自然》雜志的論文中，研究人員指出了Willow帶來的提升，如T1（衡量量子比特保持激發態的時間）和T2的改進，他們將其歸因于更好的制造技術、比率工程和電路參數優化。研究人員還注意到Willow在解碼方面的改進，其使用了兩種離線高精度解碼器。
Kelly補充說，此前的Sycamore是在加州大學圣巴巴拉分校的一間共享潔凈室里研發的，而建造自己的實驗室為谷歌的研究人員提供了更多的工具和更強的能力，Willow就是在谷歌自己的實驗室里研發的，實驗室內重新設計的內部電路有助于改善T1和比率工程。
除了糾錯功能，谷歌研究人員還使用隨機電路采樣（RCS）基準測試了Willow的性能， RCS是當前量子計算機可以完成的最難的基準測試。谷歌量子實驗室創始人兼負責人Hartmut Neven在宣布推出這款芯片時說，通過基準測試可以確定量子系統是否在做經典計算機做不到的事情。
2019年，通過RCS基準測試顯示，最快的傳統計算機也需要一萬年才能完成Sycamore所能完成的工作。而Willow出現后，其在五分鐘內完成的計算將需要橡樹嶺國家實驗室中擁有1.68exaflops性能的超級計算機耗費102?年才能完成。
Kelly稱：“Willow性能躍升的關鍵不僅在于基于Sycamore進行改進，更重要的是它的工作集成了所有部件。量子比特本身的質量必須足夠好，糾錯才能啟動，而我們的糾錯演示表明，在集成系統層面，一切都能同時工作。從量子比特數量、T1到雙量子比特錯誤率，一切都在同時起作用，而協作正是這項挑戰長期以來難以攻克的原因之一。”
Neven稱："芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、復位比特和讀出比特，都必須同時精心設計和集成。如果任何組件落后或兩個組件不能很好地協同工作，都會拖累系統整體性能。因此，從芯片架構和制造到柵極開發和校準，最大限度地提高系統性貫穿于我們流程的方方面面。Willow的突破是對量子計算系統的整體評估，而不局限于評估一個因素。”
實驗室主任兼首席運營官Charina Chou在發布會上說，雖然迄今為止的量子發現令人興奮，但這些成果還是可以用傳統計算機來完成。因此，我們面臨的下一個挑戰是：量子計算能否展現出徹底顛覆傳統計算機的性能？還沒有人在中型量子計算（NISQ，指有50-100量子比特的規模）時代展示過這樣的成果。
這是包括亞馬遜、微軟、IBM和眾多初創公司在內的其他廠商也在追求的目標，谷歌希望Willow是實現這一目標的「關鍵一躍」。
本文由雷峰網(公眾號：雷峰網)編譯自：https://www.nextplatform.com/2024/12/09/google-claims-quantum-error-correction-milestone-with-willow-chip/
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