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编者按
当地时间12月9日，美国谷歌公司宣布推出最新量子芯片Willow（意为“柳树”），宣称Willow解决了困扰量子纠错领域近30年的一项关键难题，同时在标准基准计算中表现出远超现有超级计算机的强大性能。相关研究已经发布于《自然》期刊。
谷歌此次发布的量子芯片有多强？对于量子计算技术的发展具有怎样的意义？我们距离实用的量子计算机是否又更近了一步？关于大家可能好奇和关心的问题，大院邀请了一位来自美国俄勒冈大学的量子信息领域研究人员，谈一谈他对于这款量子芯片的看法。
谷歌最新发布的量子芯片Willow
（图片来源：谷歌）
谷歌发布了最新量子芯片Willow，量子芯片是什么？和我们日常使用的电脑、手机中的芯片有什么不同？
现在手机、电脑里使用的芯片又称为集成电路，就是将大量晶体管、电阻等电子元件集中制造在一块半导体材料上。电路中的一些状态，比如说通路或开路、输出高电平或低电平，可以对应于抽象的数字0和1，芯片由此使用一套二进制系统储存和处理信息。其中，信息量的最小单位称为比特（bit），一个比特的信息只有0和1两种可能。
一块集成电路
（图片来源：wiki）
与经典比特不同，量子计算用来储存和处理信息的基本单位是量子比特（qubit）。在量子力学中，一些体系不仅可以处于类似0和1的两种状态（物理学家喜欢写成|0>和|1>），还可以处于一种叠加态。量子比特通常就是这一类可以用量子力学描述、量子特性比经典特性更突出的二能级系统。
形象地说，经典计算中的比特就像两个点，分别对应0和1；量子比特就像一个球，状态不仅可以是两个端点上的|0>和|1>，还可以是球面上无数个点。量子计算通过对量子比特的操作，可以实现经典计算几乎不可能实现的一些计算和模拟任务。
左：比特 右：量子比特
（图片来源：CRYPVIZ）
和电子芯片的基本结构类似，量子芯片就是将量子比特这一最小单元集成到一小片基板上，从而实现信息的存储与处理。当然，与电子芯片中使用电路状态表示0和1不同，量子比特需要特殊的量子系统来表达，比如谷歌这次新发布的量子芯片Willow就是使用超导电子线路充当量子比特（总共有105个）。
Willow超导量子比特示意图
（图片来源：谷歌）
量子芯片和量子计算机是怎样的关系？
量子计算机是通过量子逻辑来储存和处理信息的设备，根据物理实现体系可以分为超导量子计算机、光量子计算机等等。对于谷歌采用的超导量子计算体系来说，量子芯片是量子计算机的核心组成部分。
部分实现量子计算的物理体系示意图
（图片来源：FrontierResearch 作者汉化）
然而，并不是所有量子计算的物理实现中都有类似的量子芯片的概念。超导量子计算、硅基量子计算需要把量子比特集成在基板上，但是中性原子、离子阱、光子等量子计算体系中使用天然存在的量子比特，在很多情况下不需要集成在一块芯片上。
谷歌此次最新开发的量子芯片Willow主要做出了什么突破？
按照谷歌给出的官方说法，Willow主要取得了两大成就：
一个是首次在容错架构的表面码中突破量子纠错的盈亏平衡点（break-even point），理论上可以通过增加物理比特数而实现逻辑比特的更低错误率。
另一个是得益于更多的量子比特数和更好的门操作参数，在随机线路采样这个特定任务上实现了对经典计算机的更大超越。
量子纠错是什么技术？对于量子计算具有怎样的重要性？
比起经典比特，量子比特对环境噪音和门操作误差更加敏感，从而更容易出错，所以必须通过某种办法来降低错误率。其中一种办法是用多个物理比特以纠错码的形式编码一个逻辑比特，多个物理比特中的信息冗余能够辅助探测或者纠正错误。
这里用经典比特来举个大家容易理解的例子：现在你有一个比特，它的信息应该是1，可是因为仪器测量误差等原因，它有一定概率变成0，那就可能会输出一个错误信息。但是如果你把这个比特复制成三份（“编码”），那只要比特出错的概率不太大，那么三份同时出错的概率就会小很多。就算有一个出错，那也是从111变成了110，从概率的角度考虑，就能及时实现纠错。
经典纠错与量子纠错
（图片来源：IEEE Spectrum）
然而，量子纠错过程的额外测量和门操作等过程又会带来新的错误。因此，量子纠错的盈亏平衡点非常重要，这标志着纠错后的逻辑比特比不纠错的物理比特产生更少的错误，从而纠错能够扩大规模。
除了量子纠错，还有量子容错？
量子纠错存在一个问题，如果只有纠错操作，在对逻辑比特进行门操作的时候，一些情况下错误会扩散，带来不可纠正的错误。量子容错的概念就建立在此之上，可以理解为是一种进阶的量子纠错，保证了量子计算过程中各个层级、各种操作出现的错误都可纠正。
Willow此次在容错架构中突破了量子纠错的盈亏平衡点，其中容错架构的意思就是让门操作、比特初始化，读出这些操作也可以纠错(非容错架构只能做memory的纠错）。
更进一步，量子计算中的阈值定理（Threshold Theorem）保证了容错架构下，只要物理错误率低于某个阈值，那么逻辑错误率就可以通过扩大线路规模任意降低。未来出现的实用化通用量子计算机一定是建立在容错架构上的，因此在实验中实现纠错或者容错的一些关键节点是量子计算机发展的重要中间步骤。
为了测试量子芯片的计算速度，谷歌选择的随机线路采样任务是什么？
费曼最早提出可以用量子计算机来模拟多体量子系统，因为指数增长的态空间，这样的问题是经典计算机无法有效计算的。随机线路采样就是一个难以经典模拟的多体量子问题，在一个初始量子态上运行一组随机构造的门操作，最后得到高度纠缠的多体量子态。
随机线路采样是一个缺少实际应用的基线测试，更像是为量子计算机定制的。在算法的时间复杂度上，量子计算机模拟采样过程是多项式复杂度，而经典计算机则是指数复杂度。按照谷歌的说法，Willow在5分钟内完成的任务，经典计算机需要花1025年，后者看起来是一个天文数字，但也是非常自然的。
谷歌宣称，对于同一个随机线路采样任务，Willow能够在5分钟内完成，经典计算机需要1025年
（图片来源：谷歌）
事实上，此前已经有量子计算机（比如中国研发的“祖冲之号”）在这一任务的计算速度上超越了经典计算机很多数量级，Willow只是在一个极大的数字后面又加了许多个0。Willow刷新计算速度在突破性上并不如量子纠错的进展，却被很多媒体当作宣传的重点，这是不够全面的。
你认为Willow的发布对于量子计算领域的发展具有怎样的影响？
Willow的发布肯定会给量子信息相关的从业人员更多信心，但我想大家并不会特别惊讶。相关研究在几个月前就已经登上了预印本平台arXiv，只是最近才正式发表在《自然》期刊上。现在Willow在网络上的声音很大，既是因为谷歌的官方宣传，也有马斯克等社会名人和社交媒体平台推波助澜的因素。
（编者注：12月17日，在谷歌发布Willow后一周，中国科学家研发、同样拥有105个量子比特的超导量子计算机“祖冲之三号”的相关最新成果已经在arXiv上发表）
这里需要介绍的是，量子纠错的技术发展有三个关键节点。第一个是展示纠错有效，也就是纠错本身引入的额外错误要少于带来的增益。这个盈亏平衡点在过去一两年中已经有多个研究组实现了，比如去年中国科学院院士、南方科技大学俞大鹏团队徐源课题组联合福州大学郑仕标、清华大学孙麓岩、中国科学技术大学邹长铃等团队，通过实时重复的量子纠错技术，延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点。
第二个节点是在容错架构中达到盈亏平衡点，这也是Willow此次取得的重要突破。整体上，在实现第一个节点后，大家对于达到第二个节点还是有一定预期的。
第三个节点最为重要，同时也最难达到——在容错架构中展示逻辑比特之间的逻辑门的错误率随着码距（code distance）降低。实现这一点将会成为量子计算的一个重要里程碑，原则上意味着体系可以通过扩大量子线路规模而实现更具实用意义的量子计算。现有的量子纠错技术距离达到这一目标还很远，我个人也非常期望这一天的到来。
参考文献：
[1] Google Quantum AI and Collaborators. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
[2] Ni, Zhongchu, et al. "Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit." Nature 616.7955 (2023): 56-60.
[3] Sivak, V. V., et al. "Real-time quantum error correction beyond break-even." Nature 616.7955 (2023): 50-55.
作者：吴书豪
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