我国的超导量子想象团队在尽力追逐的同期，也应千里得住气九游会体育，本年不可待来岁。无须半年一小发布，一年一大发布，没东西硬发布。毕竟谷歌这次发布距离上一次已当年五年。

撰文 | 生动

2024 年 12 月 10 日，谷歌公布了其量子芯片最新发扬：Willow 芯片在 RCS（随即解析采样）基准测试中成就了史无先例的量子上风，5 分钟内即可完成当下来源进的超等想象机需要 1025（10 亿亿亿）年才能完成的想象——从创世之初到天瘠土老也算不完。此外，这款芯片还初度已毕了名义码纠错的历史性冲破：纠错后的逻辑量子比特失实率低于所有参与纠错的物理量子比特，换句话说，咫尺终于可以越纠越好了。

本体上，早在本年 9 月，我就在《返朴》上发表了先容有关责任的著述——《谷歌量子纠错赢得错误冲破：逻辑量子比特寿命大幅延伸》，并提到芯片上的跳跃乃是促成这一冲破的要道。著述指出了这项责任的历史性真理，同期也抒发了对国内量子想象研发进度的担忧。令我颇感缺憾的是，那时这篇著述并莫得引起若干温煦。直到谷歌量子芯片 Willow 厚爱发布，坐窝颤抖全网。一时候，找我求证的东谈主可谓纷至踏来，纷繁让我作念出评价，我只得苦笑一声并翻出那篇老著述，并告诉寰球其实我还是解读过了。

更正一想，我以为照旧值得再写一篇。这次谷歌"良心"地公布了芯片高清像片和总体目标，是以我照旧能提供一些新东西的。既然谷歌发布的主角是 Willow 芯片，那这次我就要点讲下超导量子芯片。

量子芯片是量子想象的基本逻辑单元——量子比特的载体。此外，芯片上还需要排布与量子比特操控和测量有关的必要电路，包括读取谐振腔 / 传输线、微波 / 直流操控线等，以及已毕量子纠缠所必需的耦合单元。

事实上，超导量子芯片与传统的半导体芯片比拟，两者有不少相似之处：雷同是将各式元器件以复杂的电路模式刻印在小小的硅片或其他衬底上，刻印的尺寸王人在微纳米圭表。这为超导量子想象带来了一个终点诱东谈主的上风：与半导体工业具有高度的可兼容性。不外，二者也有些权贵的区别。一方面是最中枢的元器件，半导体芯片为场效应晶体管，而超导量子芯片使用约瑟夫森结；另一方面是材料，半导体芯片主要使用掺杂硅、二氧化硅，以及铜、铝等电路引线材料，而超导量子芯片必须使用各式旧例超导材料，如铝、铌、钽等。这些区别又导致了它们在工艺制程上有庞杂的分裂。当我给单元来访嘉宾们素质咱们的量子芯片加工实践室时，被问到最多的一个问题即是："你们这个终点于半导体的几纳米？"我总难免要先"呃"一下，然后大脑赶紧念念索一番，想奈何能解说晰这个问题。讲完这些区别后，看着听众们一言不发，仅仅抿着嘴坚贞场所头，我知谈，我又没讲透。

量子芯片的质地，基本决定了最终量子想象的质地。谷歌这次发布的 Willow 芯片，包含 105 个量子比特，等等，才 105 个量子比特，就值得这样重兴旗饱读发布，还赢得马斯克等一众科技大佬的点赞吗？要知谈，苹果 M1 芯片就包含了 160 亿个晶体管啊！我的回应是，值，这即是赤裸裸地秀肌肉，妥妥的塔尖级别的量子芯片。有诸多身分导致研发 100 范围量子想象芯片极富挑战性。

率先，量子态极其脆弱。很是像超导量子比特这样的宏不雅量子比特，存储的信息在眨眼工夫（不到 1 毫秒）就会透澈澌灭，想让量子信息澌灭得慢少许，需要付出极大的努力（可参阅《超导量子比特寿命冲破 500 微秒——虽为东谈主间片刻，却是真理超卓》）。

其次，经典比特要么处于 0 要么处于 1，唯有噪声不是大得离谱（比如在天际环境下），晶体管果然就不会出错。而量子比特则可以处于 0 和 1 的任性重叠态，任何隐微的扰动就足以改变一个量子态。

第三，在巨额子比特芯片中，比特与比特、比特与耦合器、比特与划定线等之间总会存在难以摒除的残余互相作用，导致所谓的"串扰"。串扰的存在极地面增多了校准的难度和本钱，划定了量子门保真度的提高，同期还会导致失确凿量子比特间迅速膨胀。

此外还有频率拥堵、封装等问题。要克服上述这些障碍，需要在想象、材料和工艺等方面的始终努力。谷歌用了 5 年时候，终于从 Sycamore 进化到 Willow，退干系时候赢得了 5 倍的提高，对于这种高连通度、高调控目田度的芯片而言，这是一个庞杂的跳跃。再加上读取速率和保真度方面的跳跃，终于使得开篇提到的两项冲破成为可能。

比拟早先的 Sycamore 一代和二代，Willow 芯片的退干系性能有了大幅提高。

对于芯片的细节，咱们咫尺只可从像片上了解。在之前 arXiv 上贴的论文（Quantum error correction below the surface code threshold）中，他们提到了这归功于"能隙剪裁（Gap-engineering）"时间的应用。此外，基于可调量子比特和可调耦合器，谷歌开采了一整套基于数据进修和学习的优化才略，以确保所有目子比特责任在最好情状。芯片是量子想象最为中枢的时间，谷歌、IBM 等宇宙顶级团队，早已不再公布其时间细节。值得运道的是，国内始终从事超导量子想象探究的 top 团队仍能实时跟进，并雷同赢得可以的得益。

包含 105 个量子比特的 Willow 芯片

但咱们需要警惕的是，咱们过于温煦一些"硬目标"，如比特数目、门保真度等，而容易轻慢一些系统级目标和"软目标"，对于量子想象这样复杂的系统性时间而言，这是过度简化的，时候长了以致是危机的。例如来说，这次发布的 Willow 芯片，其读取速率非凡了 90 万次 / 秒，也即是 1.1 微秒完成一次读取，这不仅条目芯片上有精粹的想象，同期条目测控电子学系统有超高的实时解码才气。谷歌最近还发表了一篇高水平论文，展示了机器学习模子 AlphaQubit 在量子想象失实识别方面的优异性能；IBM 则在量子 - 超算和会方面赢得发扬——应用 127 比特量子云平台与"富岳"的连合，已毕了包含 28 个原子的 FeS 团簇分子想象。这样的例子还有许多。奈何构建一套科学的、与时俱进的系统评测才略，玩忽说基准测试才略，对改日鼓励量子想象工程化、实用化而言蛮横常错误的。

Willow 芯片的性能目标一览

终末，道贺谷歌量子 AI 团队。我国的超导量子想象团队在尽力追逐的同期，也应千里得住气，本年不可待来岁。无须半年一小发布，一年一大发布，没东西硬发布。毕竟谷歌这次发布距离上一次已当年五年。