谷歌量子計(jì)算新突破，離真正的量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)？

圖蟲創(chuàng)意

2024年12月9日，谷歌發(fā)布了他們?cè)诹孔佑?jì)算領(lǐng)域的一個(gè)新的里程碑。他們?nèi)碌牧孔佑?jì)算芯片Willow，中文為柳樹，芯片包含105個(gè)物理量子比特。利用這款芯片，他們實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命的邏輯量子比特，展示了量子糾錯(cuò)技術(shù)帶來(lái)的顯著效果，驗(yàn)證了量子糾錯(cuò)技術(shù)路線的正確。

那么量子糾錯(cuò)技術(shù)是什么？這個(gè)突破距離真正能解決大量問題的通用量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)？

量子比特是量子計(jì)算機(jī)處理信息的最小單元，也是最簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)——二能級(jí)系統(tǒng)。類似經(jīng)典比特，我們可以將這兩個(gè)能級(jí)分別標(biāo)記為0和1，不過(guò)，由于量子力學(xué)的疊加性，量子比特可以處于0和1的任意疊加態(tài)。為了便于想象，物理學(xué)家發(fā)明了一個(gè)非常好的可視化工具——Bloch球，一個(gè)半徑為1的單位球面，球面上的每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)可能的量子態(tài)。經(jīng)典比特在這個(gè)球面上只有兩個(gè)點(diǎn)，分別是北極點(diǎn)（0）和南極點(diǎn)（1）。

測(cè)量一個(gè)經(jīng)典比特，只需要看測(cè)量結(jié)果距離0近些還是1近些，比如0.3即可判定為0，因此經(jīng)典比特的抗噪能力很強(qiáng)，目前半導(dǎo)體芯片的邏輯錯(cuò)誤率在100FIT（10億小時(shí)發(fā)生1次翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，稱為1FIT）水平，即連續(xù)工作1000萬(wàn)小時(shí)以上也不會(huì)出錯(cuò)。但量子比特就大不一樣了，一方面量子態(tài)極為脆弱，環(huán)境中極微弱的擾動(dòng)，也將導(dǎo)致其發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此外，量子比特的取值在Bloch球面上是連續(xù)的，有些擾動(dòng)即便不翻轉(zhuǎn)量子比特，也可以讓量子態(tài)在Bloch球面上移動(dòng)，改變它的取值。因此量子比特相比經(jīng)典比特極容易出錯(cuò)，導(dǎo)致量子計(jì)算結(jié)果不可靠，極大地限制了量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

因此我們需要一種讓量子比特在Bloch球面上保持不動(dòng)的技術(shù)，這就是量子糾錯(cuò)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)最直接的辦法就是冗余，比如我們可以用三個(gè)比特來(lái)當(dāng)一個(gè)比特用，并采用“簡(jiǎn)單多數(shù)投票”方式確定它們代表的狀態(tài)。此時(shí)三個(gè)比特中任意一個(gè)發(fā)生一次錯(cuò)誤（例如，000變成了010），我們都可以正確地恢復(fù)信息。實(shí)際的糾錯(cuò)碼要復(fù)雜一些，主要目的是希望用最少的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)同等的糾錯(cuò)效果，專業(yè)一點(diǎn)說(shuō)，就是提升編碼效率。量子比特的糾錯(cuò)會(huì)麻煩得多，因?yàn)槲覀?strong>不可能在不改變量子態(tài)的情況下了解一個(gè)量子態(tài)，換句話說(shuō)，如果我們想看一個(gè)量子比特是不是出錯(cuò)了，那它就肯定已經(jīng)出錯(cuò)了！為此，科學(xué)家巧妙的想到利用冗余的糾錯(cuò)量子比特與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的信息比特之間的某種糾纏（即所謂“穩(wěn)定子”，穩(wěn)定子與量子比特哈密頓量對(duì)易，因此測(cè)量穩(wěn)定子不會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)坍縮），并通過(guò)測(cè)量糾錯(cuò)比特的變化來(lái)追蹤數(shù)據(jù)比特的錯(cuò)誤位置和類型。

量子糾錯(cuò)只有在錯(cuò)誤率足夠低，即錯(cuò)誤足夠“稀疏”的時(shí)候才有效，否則會(huì)越糾越錯(cuò)。早期提出的各種糾錯(cuò)碼，比如CSS碼，盡管有很高的編碼率，但它們要求的錯(cuò)誤率閾值很低，現(xiàn)有的技術(shù)難以達(dá)到。谷歌團(tuán)隊(duì)進(jìn)行量子糾錯(cuò)選擇的是一種叫“表面碼（Surface code）”的糾錯(cuò)技術(shù)，這種編碼技術(shù)有幾個(gè)好處，首先它具有良好的可擴(kuò)展性，其次它的錯(cuò)誤率閾值要求很低，只要達(dá)到百分之一水平就行，第三就是它只要求近鄰耦合，很適合超導(dǎo)量子芯片。

谷歌在Willow上通過(guò)二維超導(dǎo)量子比特格點(diǎn)，得到了量子糾錯(cuò)能力隨物理量子比特?cái)?shù)量增加而指數(shù)增強(qiáng)的證據(jù)，即隨著編碼距離的增加，出錯(cuò)率以指數(shù)形式降低。這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次突破了量子糾錯(cuò)產(chǎn)生正面效果的閾值，是量子計(jì)算機(jī)研究的一個(gè)新里程碑。

但是**Willow所謂的5分鐘完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)10的25次方年，即遠(yuǎn)超宇宙年齡千萬(wàn)億倍的時(shí)間才能完成的任務(wù)，我們需要正確認(rèn)識(shí)。這實(shí)際上是針對(duì)一種特定的基準(zhǔn)測(cè)試而言的，即所謂隨機(jī)電路采樣。**量子糾纏所產(chǎn)生的計(jì)算空間是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的，對(duì)這樣的龐大計(jì)算空間進(jìn)行采樣，對(duì)量子計(jì)算機(jī)而言是自然而然的，對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)那就是災(zāi)難了，每多一個(gè)比特，或演化的層數(shù)增加1層，計(jì)算的難度都將成倍增加，這就是傳說(shuō)中的“指數(shù)難”問題。隨機(jī)線路采樣無(wú)法用于解決實(shí)用問題，僅可用于證明量子芯片的錯(cuò)誤率足夠低，芯片的水平足夠高，并不意味著我們用量子計(jì)算機(jī)去解決各種問題都能建立這樣驚人的優(yōu)勢(shì)。

很多人問量子計(jì)算機(jī)是不是很快就能破密碼，比特幣是不是已經(jīng)不安全了？這些擔(dān)心為時(shí)尚早。谷歌的Willow芯片只是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)萬(wàn)里長(zhǎng)征的一小步。這個(gè)進(jìn)展對(duì)目前廣泛使用的非對(duì)稱密碼技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠不上威脅。能夠破解互聯(lián)網(wǎng)主流的RSA非對(duì)稱密碼和區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫臋E圓曲線非對(duì)稱密碼的通用量子計(jì)算機(jī)，至少需要上千個(gè)邏輯量子比特，每一個(gè)邏輯量子比特為做到足夠低錯(cuò)誤率，都需要1000個(gè)左右的物理量子比特來(lái)糾錯(cuò)，這就意味著實(shí)現(xiàn)能夠解決問題的通用量子計(jì)算機(jī)，需要百萬(wàn)量級(jí)的物理量子比特，這個(gè)規(guī)模是Willow的一萬(wàn)倍。

所以，如同可控核聚變一樣，通用量子計(jì)算是一個(gè)長(zhǎng)期而偉大的科技挑戰(zhàn)。Willow所取得的成就，只是這征途中的一小步，仍有比這大得多的挑戰(zhàn)等著我們。我們既要為谷歌的成果感到興奮，也要正確認(rèn)識(shí)它的價(jià)值，不要造成“過(guò)度期待”。我們堅(jiān)信量子計(jì)算的未來(lái)終將到來(lái)，同時(shí)也應(yīng)對(duì)它保持耐心，在它的發(fā)展途中為其加油，不捧殺，不棒殺。結(jié)尾引用比爾蓋茨的一句話：我們往往容易高估未來(lái)兩到三年的變化，卻低估未來(lái)十年的變革。十年后回頭看，你一定會(huì)驚呼于量子計(jì)算所帶來(lái)的變革。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：金貽榮 北京量子信息科學(xué)研究院 研究員

審核：尹璋琦 北京理工大學(xué) 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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