2024年12月9日，作為科技巨頭谷歌扔出一枚“深水炸彈”：宣布成功研制新一代量子芯片“Willow”。消息一出，整個(gè)科技圈一片震驚，連其母公司Alphabet股價(jià)一夜飆升，市值漲幅約8120億元人民幣，資本用真金白銀表達(dá)了對(duì)這一突破的極大期待。

很多人可能會(huì)想，不過(guò)是一塊芯片，為何能引發(fā)如此巨大的轟動(dòng)？它究竟解決了什么難題？這是否又意味著美國(guó)在決定未來(lái)的算力競(jìng)賽中已一騎絕塵？面對(duì)如此突破，我國(guó)又該如何應(yīng)對(duì)？

量子新紀(jì)元

谷歌此次發(fā)布的并非傳統(tǒng)芯片，而是一種全新的量子芯片。它帶來(lái)的不僅是速度的提升，更是一場(chǎng)對(duì)計(jì)算范式的根本變革。

我們熟悉的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，電子設(shè)備，其芯片核心邏輯是“比特”， 它總是處于明確的“開(kāi)（1）”或“關(guān)（0）”的兩種狀態(tài)，而所有復(fù)雜運(yùn)算，最終都可歸結(jié)為大量開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同組合。

而量子芯片的基本單元是“量子比特”， 它借助了量子力學(xué)中兩個(gè)關(guān)鍵特性：疊加和糾纏。假如現(xiàn)在你的桌上，有一枚正在不停旋轉(zhuǎn)的硬幣，當(dāng)它在停轉(zhuǎn)之前，你是無(wú)法斷定其最終的正反面的。此時(shí)的它，就同時(shí)處于正與反的“疊加態(tài)”。

更奇妙的是“糾纏”：即使相隔千里，一枚硬幣的最終結(jié)果，也會(huì)瞬間影響另一枚硬幣的最終結(jié)果。這種關(guān)聯(lián)不會(huì)受物理距離限制。量子比特所擁有的這種神秘的糾纏關(guān)聯(lián)，使它們能作為一個(gè)整體協(xié)同工作。

正是這兩個(gè)特性，賦予了量子芯片算力呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)的巨大潛力。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，10個(gè)比特僅能表示10個(gè)確定數(shù)值；而10個(gè)處于糾纏態(tài)的量子比特，由于疊加態(tài)的存在，能夠同時(shí)表征2的10次方（即1024）種不同的數(shù)值組合，并一次性對(duì)所有狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算。

這種并行處理能力，使量子芯片在模擬分子行為、破解密碼、優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)等特定任務(wù)上，具有很多傳統(tǒng)型計(jì)算機(jī)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

然而，量子比特的疊加態(tài)維持是極為困難的。任何微弱的熱量或電磁噪聲都可能導(dǎo)致疊加態(tài)瓦解，造成計(jì)算錯(cuò)誤。更棘手的是，量子比特?cái)?shù)量越多，就越容易出錯(cuò)。

因此，如何在計(jì)算過(guò)程中有效檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)“量子糾錯(cuò)”，就成為將量子芯片從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嵱眠^(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題。

糾錯(cuò)大突破

谷歌發(fā)布的Willow芯片，有105個(gè)物理量子比特的規(guī)模。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它同時(shí)擁有105個(gè)極其精密的微觀計(jì)算單元，在接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境下，可以以一種我們?nèi)粘ｋy以理解的方式協(xié)同工作。

Willow芯片的計(jì)算能力堪稱(chēng)恐怖，它只需不到5分鐘即可完成一項(xiàng)基準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)，而同樣的計(jì)算，美國(guó)耗巨資研發(fā)的另一款大型超級(jí)計(jì)算機(jī)“Frontier”，則需要102?年才能完成——這個(gè)時(shí)間甚至超過(guò)了宇宙的整個(gè)演化歷程。

Willow的另一項(xiàng)革命性突破，在于解決了困擾科學(xué)家近30年的核心難題：量子糾錯(cuò)。為應(yīng)對(duì)環(huán)境干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤，一種主流方案是使用多個(gè)物理比特來(lái)共同編碼一個(gè)邏輯量子比特。

每一個(gè)物理比特就像是一塊容易出錯(cuò)的“磚塊”，而通過(guò)一種名為“表面碼”的復(fù)雜編碼方式，可以將很多塊這樣的“磚”巧妙地組合起來(lái)，砌成一堵更堅(jiān)固、更穩(wěn)定的“墻”，這就是所謂的“邏輯量子比特”。

在Willow之前，增加磚塊（物理比特）往往意味著整面墻出錯(cuò)的概率也會(huì)變得更高，“越糾越錯(cuò)”是常態(tài)。

但谷歌的團(tuán)隊(duì)這次首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)把這面“墻”砌得更大（將編碼碼距從3擴(kuò)大到5，再擴(kuò)大到7）時(shí)，其錯(cuò)誤率不僅沒(méi)有上升，反而每次擴(kuò)大規(guī)模都能讓錯(cuò)誤率降低約一半，實(shí)現(xiàn)了“越糾越對(duì)”。

這就像找到了一種神奇的“砌墻”方法，墻砌得越大反而越穩(wěn)固。這項(xiàng)突破，為最終建造出足夠可靠的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)奠定了關(guān)鍵的一塊基石。

中國(guó)齊頭進(jìn)

美國(guó)有了新突破，我國(guó)當(dāng)然也不能落后。今年初，中科大的團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布了新一代處理器同樣基于105個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)：“祖沖之三號(hào)”。它的誕生，向世界清晰地表明，在這場(chǎng)前沿科技競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)不僅沒(méi)有缺席，更已成長(zhǎng)為一股不可忽視的力量。

在性能方面，“祖沖之三號(hào)”的量子比特能夠保持長(zhǎng)達(dá)72微秒的相干時(shí)間（即維持量子態(tài)的時(shí)長(zhǎng)），其對(duì)量子比特的操作精度也表現(xiàn)優(yōu)異：單比特門(mén)保真度達(dá)到99.90%，雙比特門(mén)保真度高達(dá)99.62%。這些關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

在與Willow相同的基準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)中，“祖沖之三號(hào)”同樣展現(xiàn)出卓越能力，僅用數(shù)百秒即可采集百萬(wàn)樣本并完成計(jì)算，其綜合計(jì)算性能較谷歌2019年發(fā)布的Sycamore處理器高出六個(gè)數(shù)量級(jí)。

在糾錯(cuò)能力方面，“祖沖之三號(hào)”可實(shí)現(xiàn)碼距擴(kuò)展為7、9和11的表面碼量子糾錯(cuò)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)上與 Willow 達(dá)到“旗鼓相當(dāng)”水平。

除了實(shí)驗(yàn)室中的性能突破，我國(guó)量子計(jì)算也在走向?qū)嶋H應(yīng)用。例如，“本源悟空”計(jì)算機(jī)，已搭載72比特的“悟空芯”面向全球開(kāi)放運(yùn)行。截至今年初，它已完成超過(guò)32萬(wàn)個(gè)計(jì)算任務(wù)，涵蓋金融、生物醫(yī)藥、流體動(dòng)力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，服務(wù)用戶超一百多個(gè)國(guó)家。

結(jié)尾

當(dāng)前，無(wú)論是谷歌還是中國(guó)，相關(guān)成果依然處于初級(jí)的階段。研發(fā)的量子芯片還容易受到噪聲干擾，距離構(gòu)建擁有數(shù)萬(wàn)個(gè)物理量子比特，可實(shí)現(xiàn)自我糾錯(cuò)的大型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，還有非常漫長(zhǎng)的道路要走。

展望未來(lái)，前景可期。我國(guó)的量子科技經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的跨越。憑借國(guó)家層面的戰(zhàn)略重視、日益完整的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條以及扎實(shí)的人才培養(yǎng)體系，我國(guó)已經(jīng)完全有能力在這場(chǎng)決定未來(lái)的科技競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)重要一席。