今天小編分享的互聯網經驗：5分鍾完成傳統超算10²⁵年計算量，谷歌Willow在量子糾錯領網域實現「關鍵一躍」，歡迎閲讀。
量子計算機賽道裏，擠滿了巨頭和初創公司。由于量子計算機可以執行工作負載，解決現階段即使是最強大的計算機都無法解決的問題，因此在全球範圍内，量子計算市場正高速增長，數十億美元流入這個領網域。
由于這項技術尚處于早期階段，量子計算帶來的收入仍然比支出少很多倍，而且真正的量子計算機何時出現仍然存在争議。構建量子計算機面臨許多難題，其中一個關鍵因素是「量子糾錯」。
量子比特是量子計算的基本運算單元，即量子系統的組成部分，它對温度波動、電磁輻射和振動等一系列外界幹擾都非常敏感。而量子糾錯作為保護量子比特不受錯誤影響的一系列技術，對于确保量子計算的準确性至關重要。
位于加州聖巴巴拉的谷歌量子人工智能實驗室的研究人員表示，他們已經解決了量子系統糾錯的一個關鍵挑戰，這是科學家們三十年來一直試圖破解的問題。在一個系統中使用的量子比特越多，錯誤就會越多，而量子計算的發展需要滿足的另一個必要條件是系統擴展的能力，但錯誤與量子比特數量成正比無疑對系統的擴展造成了阻礙。
谷歌實驗室的研究科學家 Michael Newman 表示，糾錯需要将許多物理量子比特聚集到一起，讓它們協同工作，從而形成一個邏輯量子比特以實現量子糾錯。
Newman 在一次視頻采訪中告訴記者和分析師：" 我們希望，随着這些量子比特的集合越來越大，糾錯的次數越來越多，實現量子比特越來越準确。問題是，随着量子比特的集合變得越來越大，也會有更多的錯誤出現，所以我們需要足夠好的設備，這樣當我們把集合做大時，糾錯才可以克服這些額外錯誤。"
20 世紀 90 年代，「量子糾錯阈值」概念被提出，其想法是如果量子比特足夠好，那麼随着系統變得更大，這些物理量子比特組也可以變大，而且不會出現額外錯誤。谷歌表示，這是一個三十年的目标，直到現在還沒有實現。
本周在《自然》雜志上，谷歌介紹了最新的量子芯片Willow，其前身是谷歌旗下的 Sycamore 量子處理器。在使用 72 量子比特和 105 量子比特的 Willow 處理器實驗中，谷歌的研究人員測試了越來越大的物理量子位陣列，即邏輯量子比特，這些陣列大小從 3 × 3、5 × 5 到 7 × 7 不等，每次邏輯量子位的尺寸增加，都能實現錯誤率「不增反降」。
Newman 稱：" 每次我們增加邏輯量子比特，或者進行差異化分組，從 3 × 3、5 × 5 再到 7 × 7 的物理量子位陣列，錯誤率都沒有上升，而且它實際上一直在下降。我們每一次增加尺寸，都會使錯誤率下降兩倍。"
谷歌的量子硬體主管 Julian Kelly 稱糾錯是 " 量子計算機的終極遊戲 "，并補充到：" 要明确的是，如果你沒有低于阈值，那麼進行量子糾錯真的沒有意義，低于阈值是使這項技術成為現實的關鍵因素。"
在《自然》的研究論文中，研究人員寫道：" 雖然許多平台已經展示了量子糾錯的不同特征，但沒有一個量子處理器明确顯示出低于阈值的性能。" 他們補充説，量子計算容錯需要的不僅是原始性能，還需要随着時間的推移保持穩定性，消除諸如泄漏之類的錯誤來源，并提高傳統處理器的性能。而超導量子比特的操作時間從幾十納秒到幾百納秒不等，這在速度上提供了優勢，但也對快速準确地解碼錯誤提出了挑戰。
Kelly 在發布會上稱，Willow 糾錯能力提升的關鍵是芯片中改進的量子比特，她説："Willow 集成了 Sycamore 的所有優點，在此基礎上有了更好且更多的量子比特。"
在《自然》雜志的論文中，研究人員指出了 Willow 帶來的提升，如 T1（衡量量子比特保持激發态的時間）和 T2 的改進，他們将其歸因于更好的制造技術、比率工程和電路參數優化。研究人員還注意到 Willow 在解碼方面的改進，其使用了兩種離線高精度解碼器。
Kelly 補充説，此前的 Sycamore 是在加州大學聖巴巴拉分校的一間共享潔淨室裏研發的，而建造自己的實驗室為谷歌的研究人員提供了更多的工具和更強的能力，Willow 就是在谷歌自己的實驗室裏研發的，實驗室内重新設計的内部電路有助于改善 T1 和比率工程。
除了糾錯功能，谷歌研究人員還使用随機電路采樣（RCS）基準測試了 Willow 的性能， RCS 是當前量子計算機可以完成的最難的基準測試。谷歌量子實驗室創始人兼負責人 Hartmut Neven 在宣布推出這款芯片時説，通過基準測試可以确定量子系統是否在做經典計算機做不到的事情。
2019 年，通過 RCS 基準測試顯示，最快的傳統計算機也需要一萬年才能完成 Sycamore 所能完成的工作。而 Willow 出現後，其在五分鍾内完成的計算将需要橡樹嶺國家實驗室中擁有 1.68exaflops 性能的超級計算機耗費 10 ² ⁵年才能完成。
Kelly 稱："Willow 性能躍升的關鍵不僅在于基于 Sycamore 進行改進，更重要的是它的工作集成了所有部件。量子比特本身的質量必須足夠好，糾錯才能啓動，而我們的糾錯演示表明，在集成系統層面，一切都能同時工作。從量子比特數量、T1 到雙量子比特錯誤率，一切都在同時起作用，而協作正是這項挑戰長期以來難以攻克的原因之一。"
Neven 稱：" 芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、復位比特和讀出比特，都必須同時精心設計和集成。如果任何組件落後或兩個組件不能很好地協同工作，都會拖累系統整體性能。因此，從芯片架構和制造到栅極開發和校準，最大限度地提高系統性貫穿于我們流程的方方面面。Willow 的突破是對量子計算系統的整體評估，而不局限于評估一個因素。"
實驗室主任兼首席運營官 Charina Chou 在發布會上説，雖然迄今為止的量子發現令人興奮，但這些成果還是可以用傳統計算機來完成。因此，我們面臨的下一個挑戰是：量子計算能否展現出徹底颠覆傳統計算機的性能？還沒有人在中型量子計算（NISQ，指有 50-100 量子比特的規模）時代展示過這樣的成果。
這是包括亞馬遜、微軟、IBM 和眾多初創公司在内的其他廠商也在追求的目标，谷歌希望 Willow 是實現這一目标的「關鍵一躍」。
本文由雷峰網編譯自：https://www.nextplatform.com/2024/12/09/google-claims-quantum-error-correction-milestone-with-willow-chip/
