文｜適道
有句話說，遇事不決，量子力學(xué)。
然而，谷歌在量子計(jì)算上的突破，讓調(diào)侃有了實(shí)現(xiàn)的可能。
近期，谷歌官宣了全新量子芯片Willow，擁有史上最多的105個量子比特。更重要的是，在量子比特增加之后，Willow反而控制住了錯誤率！
Willow實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級錯誤率降低——量子糾錯領(lǐng)域30年來一直想解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
Willow僅需五分鐘就可以搞定——當(dāng)前頂級計(jì)算機(jī)需要10^25年才能完成的計(jì)算。
這再次證明了量子計(jì)算的巨大發(fā)展?jié)摿?，?biāo)志著量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)入了一個新的時代。
量子計(jì)算為何神通廣大？又要從一只貓說起
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的基本單位是比特（bit），只能0或1，僅代表一個數(shù)；量子計(jì)算機(jī)的基本單位是量子比特（qubit），可以“既是0又是1”，例如40%概率是0；60%的概率是1……其信息會豐富很多。
現(xiàn)在，我們來復(fù)習(xí)“薛定諤的貓”。
設(shè)想一個封閉的盒子，其中包含：
1. 一只可憐的小貓。（瘋狂譴責(zé)薛定諤）
2. 一瓶毒藥。
3. 一個放射性原子，50%概率衰變，50%概率穩(wěn)定。
如果原子衰變，會釋放毒藥，貓死；如果原子不衰變，貓活。
疊加態(tài)：貓“既活又死”→ 并行計(jì)算
根據(jù)疊加原理，當(dāng)我們打開盒子之前，貓的狀態(tài)并不是“活”或“死”，而是“活和死的疊加態(tài)”；只有當(dāng)我們觀察時，疊加態(tài)才會“坍縮”成一個確定的結(jié)果。
因?yàn)椤凹?又1”的疊加態(tài)，量子計(jì)算機(jī)可以在一次操作中，處理多個可能的結(jié)果。就像貓可以同時“活”和“死”。因此，量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)中有著遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算的并行能力。
糾纏態(tài)：貓咪命運(yùn)相連 → 快速協(xié)作
假設(shè)盒子里放了兩只貓，它們的命運(yùn)會“糾纏”在一起：當(dāng)我們打開盒子，如果發(fā)現(xiàn)一只貓活著，另一只貓也是活著，反之亦然。這種量子糾纏意味著兩只貓的狀態(tài)密切相關(guān)。
類比一下，量子比特之間的“糾纏”能夠讓信息傳遞和計(jì)算效率成倍提升。例如，一個擁有n個糾纏量子比特的系統(tǒng)可以同時表達(dá)2^n種可能狀態(tài)，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法企及的速度。
坍縮：打開盒子見真相 → 找到答案
量子計(jì)算能夠利用疊加態(tài)篩選出正確結(jié)果，就像打開盒子時發(fā)現(xiàn)貓的最終狀態(tài)一樣，避免了傳統(tǒng)計(jì)算中冗長的“試探”。
現(xiàn)在，請你想象有一臺超級計(jì)算機(jī)，它的核心運(yùn)作邏輯是無數(shù)“薛定諤的貓”。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)：一個接一個地打開所有盒子，逐個查看貓是死是活。
量子計(jì)算機(jī)：讓成千上萬的貓一起進(jìn)入“疊加態(tài)”，在所有“盒子”中同時工作，飛速找到正確答案。
一直以來，谷歌都是量子計(jì)算機(jī)的“領(lǐng)頭羊”。
2019年，谷歌研發(fā)53量子比特 量子計(jì)算機(jī)Sycamore實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”——僅用200秒就完成了一項(xiàng)計(jì)算（隨機(jī)電路采樣基準(zhǔn)測試），當(dāng)時世界最快的超級計(jì)算機(jī)需要1萬年。谷歌CEO Pichai稱其為“萊特兄弟12秒的首飛”。
2024年，谷歌研發(fā)的全新量子芯片Willow，所選的定制問題依然是隨機(jī)電路采樣，但其關(guān)鍵突破在于——實(shí)現(xiàn)了隨著量子比特?cái)?shù)量增加，錯誤率指數(shù)級降低的目標(biāo)，通過逐步擴(kuò)大量子比特陣列規(guī)模，從3x3到5x5再到7x7，每次都能將錯誤率降低一半。
量子糾錯，這才是Willow的跨時代意義。
量子糾錯，給“量子貓”配備保鏢天團(tuán)
在過去30年，量子計(jì)算存在一個根本性挑戰(zhàn)：隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，錯誤率會急劇上升。
為何會這樣？我們繼續(xù)用“薛定諤的貓”打比方。
我以前想過，為什么薛定諤不用“狗”舉例呢？養(yǎng)了貓后才知道，因?yàn)樨埡苋菀讘?yīng)激，狀態(tài)更“脆弱”。
同理，具備“奇妙”特性的量子態(tài)也容易“應(yīng)激”——好比“盒子里的貓”要應(yīng)對外界干擾，比如噪聲、振動——任何一個微小因素都可能導(dǎo)致狀態(tài)坍縮，計(jì)算失敗。
量子想要“糾纏”，就得保持波函數(shù)同步共振。然而，只要有一點(diǎn)干擾進(jìn)來，相干性就會被破壞——芯片上的量子比特越多，相干性就越不容易保持。
想實(shí)現(xiàn)量子糾錯，我們需要在不干擾貓的前提下，持續(xù)監(jiān)測它是否被外界影響，同時糾正錯誤。這聽起來很抽象，畢竟在量子世界，觀測本身就會影響系統(tǒng)。
過去30年，科學(xué)家們想盡辦法保護(hù)“量子貓”。
方法一：重復(fù)編碼——一貓變?nèi)?/p>
為了確保貓的狀態(tài)，科學(xué)家讓三只貓共同承擔(dān)“活與死”信息。如果一只貓狀態(tài)被干擾，其他兩只可以決定正確的狀態(tài)。但問題是，量子誤差比經(jīng)典比特誤差復(fù)雜得多，不止是0、1兩種狀態(tài)，而是所有疊加態(tài)。其糾纏特性會讓這種方法需要更多資源，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性增加。
方法二：拓?fù)淞孔哟a——讓貓進(jìn)“迷宮”
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果讓“貓”的量子態(tài)以一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在（比如在迷宮中行走的軌跡），干擾的影響會被限制在更小范圍內(nèi)，而不會破壞整個系統(tǒng)。這種方法類似于讓貓的生存依賴整個環(huán)境，而非單個狀態(tài)。這種方法巧妙地利用了幾何結(jié)構(gòu)，讓量子信息更穩(wěn)定。
那么，Willow是如何從“越糾越錯”變成“越糾越對”呢？
其思路就是給“量子貓”配備保鏢天團(tuán)。
在量子糾錯中，涉及將許多物理量子比特放在一起，讓它們協(xié)同工作，也就是通過創(chuàng)建一個“邏輯量子比特”(logical qubit)來糾正錯誤。3×3、5×5、7×7等組合被稱為“邏輯量子比特”。
1個中心位置的物理量子比特存儲實(shí)際的量子信息(數(shù)據(jù)比特)，周圍8個物理量子比特是輔助比特。因此，一個3×3排列實(shí)際只能存儲1個比特信息。
舉個例子，在《哈利波特與死亡圣器》中，鳳凰社為了將哈利轉(zhuǎn)移到安全的地方，想出了“7個哈利”轉(zhuǎn)移計(jì)劃。其他6個人“變形”成“假哈利”，護(hù)送“真哈利”沖出食死徒的重圍。
其中，“真哈利”就是“脆弱”的量子信息(數(shù)據(jù)比特)；其他位置的“假哈利”是輔助比特。
這一突破在業(yè)界被稱為“低于閾值”——在增加量子比特?cái)?shù)量的同時降低錯誤。
谷歌研究人員寫道：“雖然許多平臺已經(jīng)展示了量子糾錯的不同特性，但至今沒有一個量子處理器明確地表現(xiàn)出低于閾值的性能?！?/p>
你的比特幣很安全，商業(yè)用途道阻且長
谷歌官宣Willow后，最緊張的當(dāng)屬比特幣玩家。一旦量子計(jì)算機(jī)的恐怖算力投入通用計(jì)算領(lǐng)域，你的加密幣錢包直接裸奔。
不過，大家可以放心，量子計(jì)算距離任何商業(yè)用途仍有很長的路要走。
如同2019年量子計(jì)算機(jī)Sycamore，2024年的Willow芯片選擇的基準(zhǔn)測試依然是隨機(jī)電路采樣（RCS）。
換句話說，隨機(jī)電路采樣是一個為量子計(jì)算機(jī)量身定做的問題。這個實(shí)驗(yàn)的意義并非結(jié)果的實(shí)用性，而是為了證明——在某些特定問題上，量子計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有壓倒性優(yōu)勢。
舉個不太恰當(dāng)?shù)睦?，Willow就像“棋王”AlphaGo，棋藝天下第一，但只會下棋。
谷歌CEO Pichai在X發(fā)文稱：“Willow是我們構(gòu)建一臺能夠在藥物發(fā)現(xiàn)、聚變能源、電池設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用量子計(jì)算機(jī)旅程中的重要一步。”
另外，量子計(jì)算看似是AI算力短缺的解藥。但是，大模型的訓(xùn)練本就是黑盒模式，會受到互聯(lián)網(wǎng)上的錯誤數(shù)據(jù)影響。量子計(jì)算芯片本身也存在錯誤率，疊加之下可能“錯上加錯”，影響大模型訓(xùn)練和推理的精確度。
因此，大家可以展望未來，焦慮就大可不必了。