電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近期，谷歌發(fā)布了一款量子芯片Willow，這款芯片在多項指標(biāo)中均有了重大突破，甚至解決了量子糾錯領(lǐng)域近30年來一直試圖攻克的關(guān)鍵難題。不過目前該芯片仍然處于實驗室階段，距離商業(yè)應(yīng)用還需要時間。

與此同時，中國在量子科技領(lǐng)域，不少國內(nèi)機構(gòu)及相關(guān)企業(yè)也在穩(wěn)步推進中，部分成果已經(jīng)領(lǐng)先于全球。目前量子科技領(lǐng)域，中美之間的競爭仍處于焦灼狀態(tài)，在各個領(lǐng)域互有勝負。

谷歌發(fā)布超強量子芯片Willow，跨越容錯難題

谷歌在近期發(fā)布了一款擁有105個物理量子比特的量子芯片Willow，得益于更多的物理量子，該芯片具備驚人的計算速度和錯誤校正能力。

據(jù)相關(guān)報道，Willow可以在不到5分鐘的時間內(nèi)完成一個標(biāo)準(zhǔn)計算任務(wù)。這項計算任務(wù)即便交由目前全球最快的超級計算機，位于美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，擁有1.742 EFlop/s（百億億次浮點運算）的Rmax算力的El Capitan，需要10^25年，這已經(jīng)遠遠超過宇宙誕生的時間。

而之所以量子芯片能夠?qū)崿F(xiàn)如此高速運算，原因在于量子比特遵循量子力學(xué)原理。不同于經(jīng)典比特只能處于0或1的狀態(tài)，量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)。打個比方，10個經(jīng)典比特只能表示一個10位的二進制數(shù)，而10個量子比特可以同時表示2^10個狀態(tài)，即1024種可能性。而Willow芯片微105個量子比特，意味著可以同時表示2^105個狀態(tài)，這甚至比撒哈拉沙漠中的沙子數(shù)量還多。

當(dāng)量子比特數(shù)量增加到一定程度時，其能夠表示的狀態(tài)數(shù)量會呈指數(shù)級增長，遠超過經(jīng)典比特所能表示的數(shù)量。這使得量子芯片在處理信息時具有天然的并行性，能夠同時處理大量的計算任務(wù)，從而大大提高計算速度。

此外，Willow的另一個突破，是成指數(shù)級減少了錯誤率的能力。通常隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率也會成指數(shù)增長，但Willow通過先進的量子糾錯能力，實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級降低。

報道顯示，每當(dāng)晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時，編碼錯誤率就會以2.14的倍率降低。這項技術(shù)破解了計算領(lǐng)域近30年來的難題，跨越了量子糾錯的關(guān)鍵閾值。證明了通過增加量子比特數(shù)量來降低錯誤率是可行的，為未來構(gòu)建更大規(guī)模、更可靠的量子計算機奠定了基礎(chǔ)。

要知道量子比特在處于疊加態(tài)時，非常容易受到環(huán)境因素的干擾，如溫度、電磁場、宇宙射線等，從而導(dǎo)致量子態(tài)的退相干，使疊加態(tài)信息丟失或錯誤，進而影響計算結(jié)果。因此在過去很長一段時間的研究中，研究員們發(fā)現(xiàn)，隨著量子比特的增多，錯誤也在呈指數(shù)級上升。

但量子比特太少，沒有實際意義，甚至運算上還比不過超算，而量子比特增多，又會遇到計算錯誤的問題。谷歌依靠表面碼作為其量子糾錯技術(shù)通過將多個物理量子比特組合成一個邏輯量子比特，構(gòu)建了兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，一層是數(shù)據(jù)量子比特，另一層用于間接測量錯誤并幫助糾正，讓更多的量子比特成為可能，對量子計算有重大意義。

中美量子科技同屬第一梯隊，但商用時間還早

與此同時，作為全球與美國在量子科技同屬第一梯隊的中國，近些年來中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多個單位的科研團隊均在量子計算領(lǐng)域有所布局。

2019年和2020年，美國和中國相繼推出量子計算原型機“懸鈴木”和“九章”，實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，其中“九章”使用的是光量子技術(shù)路線。

到了近期，由中國科學(xué)家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機相關(guān)成果在arXiv線上發(fā)表。數(shù)據(jù)表明，“祖沖之三號”的性能超過2024年10月谷歌發(fā)表的72比特Sycamore處理器6個數(shù)量級，為目前超導(dǎo)量子計算的最強優(yōu)越性。

目前“祖沖之三號”與Willow，兩者的各項性能指標(biāo)達到了同一量級，“祖沖之三號”實現(xiàn)了超導(dǎo)量子計算的最強優(yōu)越性，而Willow在糾錯上獲得了重大進展。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，經(jīng)過20余年的努力，我國量子科技領(lǐng)域整體已經(jīng)實現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍。

從市場來看，據(jù)ICVTA&K的預(yù)測，全球2023年量子產(chǎn)業(yè)的總體市場規(guī)模或達到72.4億美元，到2030年，全球量子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)?；蚩蛇_到2391億美元，復(fù)合年增長率高達65%。

同時，有專家表示，目前量子計算主要分為超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體等路線，而我國在超導(dǎo)和光量子領(lǐng)域有優(yōu)勢，均已實現(xiàn)量子優(yōu)越性。包括谷歌的Willow與我國的“祖沖之三號”均為超導(dǎo)路線，但超導(dǎo)體需要在毫開爾文的低溫環(huán)境下運行，設(shè)備體積龐大且成本高昂，限制了其在日常場景中的部署。

而光量子路線則是目前唯一沒有明顯短板的方向，具備可室溫運行、芯片化和兼容人工智能的優(yōu)勢。并且光量子芯片制造可使用成熟的CMOS工藝，無需依賴國外高端光刻機和制程工藝。

今年9月，上海交大無錫光子芯片研究院光子芯片中試線建成啟用，該中試線總面積3.5萬平方米，總投入6.5億元，具有98臺CMOS工藝設(shè)備和CIM芯片智能制造系統(tǒng)，設(shè)備配套齊全，形成自主可控的工藝閉環(huán)。預(yù)計2025年第一季度，將發(fā)布PDK工藝設(shè)計包。

盡管如此，從實際來看，目前的量子芯片仍然處于初級階段，量子比特數(shù)量仍然在百位級左右，想要解決復(fù)雜實際問題需要上百萬的糾錯量子比特。

至于何時能夠讓量子計算進行大規(guī)模商業(yè)化，可能還需要10-20年時間，不過在一些特定領(lǐng)域，例如量子化學(xué)模擬、加密破解等，可能會在未來的5-10年內(nèi)出現(xiàn)實用化的特定解決方案。

寫在最后

目前來看，盡管中美對于量子計算的研究已經(jīng)較為深入，但真正商用還有一段距離。據(jù)人民日報報道，目前量子計算發(fā)展可以大致分為三步，第一步是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，目前中美均已達到，第二步是研制專用的量子模擬機，第三部則是在量子糾錯的輔助下研制可編程通用量子計算機。

據(jù)專家介紹，我國剛進入到第二階段，科學(xué)家們正在致力于構(gòu)建專用量子模擬機，期望在未來3-5年時間，能夠解決一些具有實際應(yīng)用價值的關(guān)鍵問題。例如復(fù)雜計算難題的求解，甚至哥德巴赫猜想等純數(shù)學(xué)理論問題也有望會因量子計算的強大能力而取得突破。

此外，在物理、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究中，量子計算能夠模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)和化學(xué)反應(yīng)過程，幫助科學(xué)家更好地理解物質(zhì)的本質(zhì)和相互作用。進一步實現(xiàn)在高精度測量、信息安全、新藥研發(fā)、醫(yī)學(xué)檢測、新材料應(yīng)用等領(lǐng)域的快速突破。