文｜IT時(shí)報(bào)記者 郝俊慧
編輯｜王昕 孫妍
量子計(jì)算似乎迎來(lái)了“ChatGPT時(shí)刻”。
北京時(shí)間12月10日，谷歌在《自然》發(fā)表了最新量子芯片Willow的研究成果，在量子糾錯(cuò)率和隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試上取得關(guān)鍵性突破，用5分鐘完成了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，而當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier則需要102 （10的25次方）年才能完成，“比宇宙的年齡都要大”。
谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊把量子計(jì)算的突破比作“萊特兄弟的首飛”，也有人將Willow類比為T(mén)ransformer，在這個(gè)同樣由谷歌推出的AI架構(gòu)上，OpenAI做出了ChatGPT。
量子與AI的糾纏還不止于此，發(fā)布Willow的是谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)名字聽(tīng)起來(lái)“與時(shí)俱進(jìn)”的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際上成立于2012年，而Willow之所以在糾錯(cuò)上突破了30年來(lái)的挑戰(zhàn)，源自谷歌已經(jīng)于11月份發(fā)布的基于Transformer的解碼器AlphaQubit，通過(guò)AI實(shí)時(shí)為量子計(jì)算機(jī)解碼糾錯(cuò)，從而讓W(xué)illow的量子糾錯(cuò)“低于閾值”。
所謂“低于閾值”，指的是量子比特越多，錯(cuò)誤率越低，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)認(rèn)為，Willow從之前的“越糾越錯(cuò)”，進(jìn)步到“越糾越對(duì)”，突破了量子糾錯(cuò)“盈虧平衡點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)了量子比特的“正增益”。
Willow成功的跡象在今年8月谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的一篇《量子誤差修正低于表面碼閾值》論文中可見(jiàn)一斑，文中對(duì)谷歌在量子糾錯(cuò)上的突破做了詳細(xì)說(shuō)明：每個(gè)（邏輯量子比特）編碼的距離增加2，錯(cuò)誤率就會(huì)下降一半以上。
在理解這句話之前，不妨先來(lái)了解一下量子計(jì)算的基本原理。
如大家所知，我們現(xiàn)在采用的經(jīng)典計(jì)算是0和1的排列組合，你在電腦上、手機(jī)上輸入的每個(gè)指令，最后都會(huì)被編譯成0和1組成的代碼，被計(jì)算機(jī)識(shí)別并計(jì)算。所謂的CPU芯片，就是晶體管組成的一個(gè)超大“開(kāi)關(guān)”，每個(gè)晶體管的on/off，代表0或者1，而一顆強(qiáng)大的CPU可能擁有上千億個(gè)晶體管。比如蘋(píng)果的M2 Ultra上便有1340億個(gè)晶體管。
受限于摩爾定律和量子隧穿效應(yīng)，裝在手機(jī)和電腦里的CPU不可能無(wú)限制地塞入更多晶體管，因此很多需要超大規(guī)模計(jì)算的問(wèn)題，尤其是自然界的本源，傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算很難解決。
量子計(jì)算則完全不同，它可以讓0和1處于任何疊加態(tài)中，簡(jiǎn)單理解，如果一塊傳統(tǒng)芯片能存儲(chǔ)n個(gè)數(shù)據(jù)，那擁有同樣量子比特?cái)?shù)量的芯片，可以存儲(chǔ)2的n次方個(gè)數(shù)據(jù)。
這種計(jì)算能力指數(shù)級(jí)的上升，也是為何每次量子計(jì)算研究突破后，其表現(xiàn)出的算力和經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，都不只是遙遙領(lǐng)先，而是百億級(jí)以上的差距。
只是，算得快，并不等于算得好。
超導(dǎo)量子非常脆弱，周圍的一點(diǎn)點(diǎn)干擾，甚至宇宙射線都會(huì)讓其丟失信息，也即所謂的“退相干”。從目前研究結(jié)果來(lái)看，單個(gè)量子比特的錯(cuò)誤率降低到千分之一（0.1%）后便很難進(jìn)一步推進(jìn)，而通用量子計(jì)算階段的錯(cuò)誤率，普遍被認(rèn)為至少要下降至10的負(fù)12次方，也即萬(wàn)億分之一。
學(xué)術(shù)界普遍采用建構(gòu)邏輯量子比特的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算糾錯(cuò)。比如谷歌此次用來(lái)實(shí)驗(yàn)的3×3、5×5、7×7編碼模式，便是以一個(gè)物理量子比特為信息的存儲(chǔ)載體，其他圍繞它的量子比特作為“錨定比特”，通過(guò)冗余和特定的編碼方案，檢測(cè)并糾正可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。而谷歌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)形成一個(gè)邏輯比特的物理比特?cái)?shù)量從90（3×3×10）到250再到490不斷擴(kuò)展時(shí)，錯(cuò)誤率指數(shù)級(jí)下降，從而“低于閾值”。
同時(shí)，量子計(jì)算的特性，對(duì)量子糾錯(cuò)也產(chǎn)生了指數(shù)級(jí)的杠桿作用。比如，如果物理量子比特的錯(cuò)誤率降低兩倍，那么距離為27×27的邏輯比特性能就能提高四個(gè)量級(jí)，進(jìn)入可被接受的錯(cuò)誤率范圍之內(nèi)。也即7290個(gè)量子比特形成一個(gè)邏輯比特的話，量子計(jì)算的通用容錯(cuò)量子計(jì)算（FTQC）應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)。
話說(shuō)到這里，國(guó)人最關(guān)心的是，中國(guó)的量子計(jì)算和谷歌差距遠(yuǎn)嗎？
一位量子科學(xué)家的話讓我放下了心：差距是有，但無(wú)論在硬件層面還是糾錯(cuò)算法方面，中國(guó)都一直在跟進(jìn)，而且進(jìn)展也都不錯(cuò)。
硬件結(jié)構(gòu)上，Willow采用的是Tunbale coupler架構(gòu)，這個(gè)技術(shù)架構(gòu)于2019年發(fā)布，國(guó)內(nèi)中科大、北京量子研究院、南方科大都有類似的實(shí)驗(yàn)成果；糾錯(cuò)效果上，Willow實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”，并在實(shí)驗(yàn)體系中實(shí)現(xiàn)了d=5和d=7的糾錯(cuò)，說(shuō)明谷歌在量子控制技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了超越性突破，但國(guó)內(nèi)南方科技大學(xué)俞大鵬院士團(tuán)隊(duì)也在去年實(shí)現(xiàn)了“量子糾錯(cuò)盈虧平衡點(diǎn)”。國(guó)內(nèi)也有其他研究團(tuán)隊(duì)采用和谷歌類似的表面碼方案，在編碼距離上略有落后，目前應(yīng)該處于d>5>3的位置。
盡管從大方向上看，Willow似乎依然走在“老路”上，但進(jìn)步往往發(fā)生在隱秘的角落。谷歌借助AI實(shí)現(xiàn)了Decoder（解碼器）方案的篩檢和軟硬件上的實(shí)時(shí)線路編譯，證明它的系統(tǒng)工程能力非常強(qiáng)。就好像OpenAI選擇的LLM大模型道路，同樣并不新鮮，但基于其強(qiáng)大的算力投入和系統(tǒng)工程能力，最終引爆此次人工智能浪潮。
從這個(gè)意義上看，Willow至少處于ChatGPT 1.0時(shí)期，目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，谷歌找到了一條相對(duì)正確的路。
不過(guò)，從谷歌官方透露的信息顯示，Willow的隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試，雖然在“經(jīng)典難以解決”的基準(zhǔn)線智商，但其商業(yè)相關(guān)性還比較弱，這表明其依然不具有實(shí)用價(jià)值。
中國(guó)量子科學(xué)的頂尖科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉將量子發(fā)展分為三階段：實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性、解決專用計(jì)算問(wèn)題、通用量子計(jì)算。目前全球量子科研水平多集中于第二階段，對(duì)于第三階段的實(shí)現(xiàn)，科學(xué)家們?cè)o出了10～15年的時(shí)間窗口，但Willow的成功，AI for Science的變革，讓這個(gè)窗口期正在縮短。
量子力學(xué)被稱為自然界的“操作系統(tǒng)”，模擬大自然的任務(wù)被認(rèn)為只有量子力學(xué)能夠完成。比如通過(guò)量子測(cè)量，在磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）中，以原子為尺，可給出分子、原子核之間的精確距離，從而在更高維度解鎖AI目前面臨的“數(shù)據(jù)困境”。物理、化學(xué)、生物醫(yī)藥、核聚變、材料科學(xué)等領(lǐng)域，都將可能因此迎來(lái)劃時(shí)代的突破。
更關(guān)鍵的是，電力消耗也將指數(shù)級(jí)下降。短時(shí)期內(nèi)，限制量子計(jì)算發(fā)展的“摩爾定律”還不會(huì)出現(xiàn)。科學(xué)家預(yù)估，物理量子比特要達(dá)到百萬(wàn)級(jí)以上才可能摸到通用計(jì)算的門(mén)檻，但這個(gè)級(jí)別量子位的芯片，和如今千億級(jí)的晶體管相比，制程工藝要求低許多。
長(zhǎng)期來(lái)看，經(jīng)典計(jì)算機(jī)在規(guī)模擴(kuò)張、應(yīng)用落地、場(chǎng)景尋找等范式變革過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)，在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)上也會(huì)“復(fù)刻”一遍，但這一次，全世界應(yīng)該會(huì)更快找到適應(yīng)的辦法。
比爾·蓋茨說(shuō)：“人們總是容易高估未來(lái)兩年的變化，卻往往低估未來(lái)十年的變革”。
十年之后回頭看，2024年12月10日或許會(huì)被定義為“前AI時(shí)代”的一個(gè)紀(jì)念日。
這一天，OpenAI正式發(fā)布了Sora，意圖“無(wú)中生有”，生成一個(gè)虛擬的物理世界，而Willow則正好相反，試圖用量子計(jì)算解讀自然界的一切。當(dāng)二者進(jìn)入“疊加態(tài)”時(shí)，科幻正變?yōu)榭茖W(xué)，曾經(jīng)遙遠(yuǎn)的未來(lái)，正在逼近現(xiàn)實(shí)。
排版／ 潘璐