Google发布105量子比特超导芯片Willow

Google近日宣布推出了代号为Willow的105量子比特超导芯片，该芯片成功完成了一项量子霸权实验，该实验在经典计算机上模拟至少需要3亿年。更重要的是，Willow展示了量子硬件如何在实现容错的同时释放其可扩展性。

关键突破：逻辑量子比特的容错性

在《自然》杂志上发表的研究中，Willow展示了将多个物理量子比特组合成逻辑量子比特的可能性，使得逻辑量子比特的错误率随着物理量子比特数量的增加而降低。研究人员通过逐步增加物理量子比特的阵列规模（从3x3到5x5再到7x7），并应用最新的量子纠错技术，每次都将错误率降低了一半。

实现这一突破的前提是物理量子比特的错误率低于某个阈值，这使得逻辑错误率随着物理量子比特的增加呈指数级下降。

专家评价：进化而非革命

知名计算机科学家Scott Aaronson指出，虽然这一进展并非革命性的，但它标志着量子计算容错性30年努力的一个重要里程碑。这一突破使得人们可以预见未来的某个时刻，逻辑量子比特将能够被长时间保存和操作，从而实现可扩展的量子计算。

当前局限与未来目标

需要注意的是，Google的成果仅限于单个逻辑量子比特，且仅展示了逻辑量子比特在扩展时能够降低错误率，但尚未达到足够低的错误率。Willow的逻辑错误率约为10^-3，而Google的目标是实现10^-6的错误率，才能宣称实现了真正的容错量子比特。

此外，运行Shor算法等大规模量子算法需要大量逻辑量子比特（至少1730个），因此短期内量子计算对经典密码学的威胁仍然有限。

量子霸权的进一步证明

Willow的另一个重要成就是在不到5分钟内完成了基于随机电路采样（RCS）的实验，进一步推进了量子霸权的界限。该计算在经典计算机上模拟需要10^25年，远超已知的物理时间尺度甚至宇宙的年龄。

然而，RCS仅用于验证量子计算机是否执行了经典计算机无法完成的任务，其计算结果本身并无特定价值。此外，由于验证结果需要极长时间，Google的验证基于外推数据，因此部分人可能认为其宣称的错误率降低并不完全准确。

未来挑战与展望

Google量子AI负责人Hartmut Neven表示，下一步的挑战是开发出集成数千个物理量子比特且错误率达到10^-6的芯片，随后实现包含两个逻辑量子比特的逻辑门，并最终扩展硬件规模以支持有用的计算。

争议与批判

以色列数学家Gil Kalai对Google的量子霸权声明提出了质疑，认为其成果可能被夸大。这进一步凸显了设计可高效验证的近期量子实验的重要性。

总之，量子计算的前路仍然漫长，但随着Willow的发布，Google在量子硬件容错性和可扩展性方面迈出了重要的一步。