谷歌最新量子芯片突破！5分鐘完成目前超算需要“10的25次方”年的運算

2019年，谷歌曾在《Nature》發(fā)布了一項量子計算突破，在世界第一超級計算機需要計算1萬年的實驗中，谷歌研究的量子計算機只用了短短3分20秒。當(dāng)時，谷歌CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）將此次突破比作“萊特兄弟的首飛”。

12月10日，谷歌在官網(wǎng)發(fā)布了這一量子的最新進展，其最新量子芯片Willow在不到5分鐘內(nèi)就完成了一個基準(zhǔn)測試任務(wù)，而即使是如今最快的超級計算機，也需要花費“10的25次方”年的時間才能完成這項計算，這個數(shù)字遠超宇宙年齡。

谷歌表示，隨著團隊使用更多的量子位進行擴展，Willow可以成倍地減少錯誤，解決了該領(lǐng)域近 30 年來一直在研究的量子糾錯的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為實用的大規(guī)模量子計算機鋪平了道路。

谷歌這一研究引起了科技圈的關(guān)注，在X上皮查伊發(fā)文官宣了這項進展后，馬斯克在評論區(qū)回復(fù)“Wow”表示贊嘆，皮查伊隨即表示有朝一日應(yīng)該用SpaceX的星艦在太空里建個量子集群，馬斯克則回應(yīng)“這很可能會發(fā)生”。

剛發(fā)布Sora視頻大模型新品的OpenAI CEO阿爾特曼也轉(zhuǎn)發(fā)了谷歌博客表示“大大的祝賀”，皮查伊回復(fù)稱，“多元宇宙未來的量子+AI即將到來” 。

在博客中，谷歌量子人工智能創(chuàng)始人兼負責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）提到，最新的量子芯片是向大規(guī)模、糾錯量子計算機邁出的一大步，它的糾錯能力和超越經(jīng)典的計算能力使我們更接近一個可以提供商業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)，從幫助發(fā)現(xiàn)新藥，到設(shè)計更高效的電動汽車電池，再到加速核聚變和新能源替代的進展。許多這些未來改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序在傳統(tǒng)計算機上是不可行的，它們正等著用量子計算來解鎖。

哈特穆特在2012年創(chuàng)立谷歌量子人工智能時，愿景就是建立一個有用的大規(guī)模量子計算機，他表示，Willow朝著商業(yè)相關(guān)應(yīng)用的方向邁出了重要的一步。

“我的同事有時會問我，為什么我離開了新興的人工智能領(lǐng)域，專注于量子計算。我的答案是，兩者都將被證明是我們這個時代最具變革性的技術(shù)，但先進的人工智能將從量子計算中受益匪淺。這就是為什么我把我們的實驗室命名為量子人工智能?！惫啬绿乇硎?，量子計算有基本的縮放定律(Scaling laws)，對于收集經(jīng)典機器無法訪問的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練和優(yōu)化某些學(xué)習(xí)架構(gòu)，以及在量子效應(yīng)很重要的情況下對系統(tǒng)進行建模都是不可或缺的。

一直以來，錯誤是量子計算中最大的挑戰(zhàn)之一，因為量子比特（量子計算機中的計算單位）傾向于與環(huán)境快速交換信息，這使得其很難保護完成計算所需的信息。通常，使用的量子位越多，發(fā)生的錯誤就越多。

谷歌的研究結(jié)果表明，在Willow中使用的量子位越多，減少的錯誤就越多，系統(tǒng)的量子就越多?！懊慨?dāng)我們將邏輯量子比特的物理比特陣列從 3x3 增加到 5x5 再到 7x7 時，錯誤率都會減少兩倍。換句話說，我們實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級下降?！边@一歷史性成就在該領(lǐng)域被稱為“低于閾值”（ below threshold），能夠在減少錯誤的同時擴大量子比特的數(shù)量。

任何一項突破必須證明自己低于閾值，才能在糾錯方面取得真正的進展，自1995年P(guān)eter Shor引入量子糾錯以來，這一直是一個突出的挑戰(zhàn)，該領(lǐng)域已經(jīng)為達到這一點而努力了30年。

作為Willow性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，谷歌使用了隨機電路采樣（Random Circuit Sampling，RCS）基準(zhǔn)測試。這是目前量子計算領(lǐng)域公認的最難測試，也是判斷量子計算機是否能執(zhí)行傳統(tǒng)計算機無法完成任務(wù)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

Willow執(zhí)行基準(zhǔn)測試任務(wù)只需要不到 5分鐘，而今天最快的超級計算機Frontier（來自美國橡樹嶺國家實驗室）需要“10的25次方”年來完成，完整寫下來是10,000,000,000,000,000,000,000,000年。這個數(shù)字超過了物理學(xué)中已知的時間尺度，它凸顯了經(jīng)典計算和量子計算之間指數(shù)級增長的差距。

谷歌提到，這還僅僅是一個保守假設(shè)，團隊假設(shè)了超級計算機可以完全訪問輔助存儲（即硬盤驅(qū)動器），且沒有任何帶寬開銷，這對Frontier來說是一個可能不切實際的考慮。

谷歌最新的量子芯片是在其位于美國圣巴巴拉的先進量子芯片制造工廠生產(chǎn)的，這是世界上為數(shù)不多的為此目的從頭開始建造的工廠之一。谷歌表示，系統(tǒng)工程是設(shè)計和制造量子芯片的關(guān)鍵，芯片的所有組件都必須同時進行良好的設(shè)計和集成。

目前，量子計算領(lǐng)域的下一個挑戰(zhàn)是在當(dāng)今的量子芯片上展示與現(xiàn)實世界應(yīng)用相關(guān)的第一個“有用的、超越經(jīng)典的”計算。谷歌樂觀地認為，Willow一代芯片可以幫助實現(xiàn)這一目標(biāo)。

量子計算自上世紀80年代被提出以來，始終是科技界關(guān)注的焦點，尤其是在解決經(jīng)典計算機難以處理的問題上。過去5年來，不論是谷歌、微軟，還是IBM等大廠，都在研發(fā)量子計算機，以解決噪聲、錯誤的問題。

在媒體交流中，谷歌量子計算團隊對包括第一財經(jīng)在內(nèi)的媒體提到，目前在研究中看到了指數(shù)級的加速，這意味著量子人工智能與人工智能相比，能更好地解決難題。他們希望在未來一兩年內(nèi)達到又一個里程碑，在本世紀末擁有一臺容錯的量子計算機，然后繼續(xù)擴大規(guī)模。

(本文來自第一財經(jīng))