遇事不決，量子力學(xué)。
量子力學(xué)誕生距今已有 120 多年的歷史了。從光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)到「薛定諤的貓」思想實(shí)驗(yàn)，它似乎是我們想象當(dāng)中最神秘最深?yuàn)W的物理學(xué)定律。美國(guó)理論物理學(xué)家理查德費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）曾說(shuō)：
如果你認(rèn)為你了解量子力學(xué)，那你就不了解量子力學(xué)。
即使量子力學(xué)距離我們相當(dāng)遙遠(yuǎn)，卻也在快速地發(fā)展：2016 年，我國(guó)成功發(fā)射「墨子號(hào)」量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星；2022 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)凇噶孔有畔⒖茖W(xué)」研究方面的貢獻(xiàn)。
▲2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主（圖源：證券時(shí)報(bào)）
而 Google 近日也在「量子力學(xué)」方面有了大動(dòng)作，堪稱「里程碑」式的創(chuàng)新。
Google 量子人工智能團(tuán)隊(duì)「Quantum AI」的創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人哈特穆特內(nèi)文（Hartmut Neven）在博客發(fā)表文章，宣布推出其最新的量子芯片「Willow」，并稱其為大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路。
在文章中，內(nèi)文稱這款芯片「在許多指標(biāo)上都擁有最先進(jìn)的性能」，并且「實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)重大成就」：
其一，是 Willow 增加了「量子比特」的使用數(shù)量（105 個(gè)），并且「成倍地」減少了錯(cuò)誤；
其二，是 Willow 在不到 5 分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了其最新的「隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試」。
▲圖源：Google
要想理解以上這些突破性成就，我們就必須要了解量子計(jì)算機(jī)/量子芯片的工作原理。
量子力學(xué)的核心概念之一是「疊加」，即一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)正是利用這種疊加性質(zhì)來(lái)創(chuàng)建「量子比特（Qubits）」，這是量子計(jì)算機(jī)中的基本計(jì)算單元。
與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制比特（Classic Bits）不同，量子比特可以同時(shí)處于 0 和 1 的「疊加態(tài)」。該狀態(tài)使得量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理多個(gè)計(jì)算路徑或狀態(tài)，從而在解決某些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快、更高效。
▲圖源：Microsoft
此外，量子比特之間還具有一種叫做「量子糾纏」的特殊關(guān)系：當(dāng)量子比特相互糾纏時(shí)，無(wú)論距離多遠(yuǎn)，其中一個(gè)量子比特的狀態(tài)會(huì)立即影響另一個(gè)量子比特的狀態(tài)。
此時(shí)我們就可以根據(jù)某個(gè)量子比特的狀態(tài)得知其他量子比特的狀態(tài)，這也就達(dá)到了信息傳遞的效果。這種特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)更有效地共享和傳遞信息。
然而，量子比特的狀態(tài)非常脆弱，容易受到外部環(huán)境（溫度、振動(dòng)、電磁等）的干擾，導(dǎo)致量子信息丟失，這種現(xiàn)象稱為「量子退相干」。由于糾纏，錯(cuò)誤可能會(huì)從一個(gè)量子比特傳播到其他量子比特，進(jìn)而影響計(jì)算能力。
并且因?yàn)榱孔颖忍貎A向于與其環(huán)境快速交換信息，導(dǎo)致完成計(jì)算所需的信息很難被保護(hù)。通常，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)使用的量子比特越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多，整個(gè)系統(tǒng)也就更加傾向于「經(jīng)典系統(tǒng)」。
▲量子糾錯(cuò)示意（圖源：Microsoft）
但根據(jù)內(nèi)文的說(shuō)法，Google 的研究人員引入了一種新的「量子糾錯(cuò)」方法，能夠?qū)崿F(xiàn) Willow 芯片所使用的量子比特越多，反而會(huì)減少更多的錯(cuò)誤，并且錯(cuò)誤率呈指數(shù)級(jí)下降。
內(nèi)文在文章中表示這一歷史性成就在該領(lǐng)域中被稱為「低于閾值」，即能夠在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)減少錯(cuò)誤。內(nèi)文還強(qiáng)調(diào)自彼得肖爾（Peter Shor）于 1995 年引入量子糾錯(cuò)以來(lái)，這一直是一項(xiàng)極其困難的挑戰(zhàn)。
因此，「低于閾值」能夠展現(xiàn)「糾錯(cuò)方面的真正進(jìn)展」，而 Willow 是首個(gè)低于閾值的系統(tǒng)，它表明建設(shè)超大型量子計(jì)算機(jī)的可能性確實(shí)存在。這一研究結(jié)果還被刊登在《Nature》雜志上。
▲圖源：Google
此外，內(nèi)文在文章中宣稱 Willow 在 5 分鐘之內(nèi)就完成了聲稱「當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)上完成的最難的經(jīng)典基準(zhǔn)測(cè)試」的隨機(jī)電路采樣（RCS）測(cè)試，并稱 Willow 的這些最新結(jié)果是「迄今為止最好的」。
作為對(duì)比，世界上運(yùn)算速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要 10^25 年才能計(jì)算完成 RCS，這個(gè)時(shí)間甚至超過(guò)了宇宙的年齡（約 138 億年）。
隨機(jī)電路采樣（Random Circuit Sampling，簡(jiǎn)稱 RCS）測(cè)試是一種用于評(píng)估量子計(jì)算機(jī)性能的方法。其核心思想是利用量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行隨機(jī)選擇的量子門(mén)操作，生成隨機(jī)的量子態(tài)，然后對(duì)這些量子態(tài)進(jìn)行采樣和測(cè)量。
RCS 最早就是由內(nèi)文所在的團(tuán)隊(duì)提出的，內(nèi)文稱其現(xiàn)在是「該領(lǐng)域的通用標(biāo)準(zhǔn)」。
▲圖源：Google
值得一提的是，2019 年，Google 就宣稱其開(kāi)發(fā)的量子處理器「Sycamore」僅用三分鐘就可以完成當(dāng)時(shí)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)一萬(wàn)年才能完成的計(jì)算，還強(qiáng)調(diào)其研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了「量子霸權(quán)」。
IBM 對(duì) Sycamore 的計(jì)算測(cè)試結(jié)果提出了異議，并且「量子霸權(quán)」這個(gè)詞也引起了不小的爭(zhēng)議，盡管 Google 強(qiáng)調(diào)該詞只是一個(gè)「藝術(shù)術(shù)語(yǔ)」。后來(lái)，Google 盡量避免使用這個(gè)詞語(yǔ)，只是說(shuō)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了「超越經(jīng)典計(jì)算」。
此外，IBM 和霍尼韋爾（HoneyWell）公司在他們的量子力學(xué)研究中一般使用「量子體積」這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述和量化其量子計(jì)算機(jī)設(shè)備，Google 卻完全不用這個(gè)概念。缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致競(jìng)品之間難以進(jìn)行對(duì)比。
▲圖源：Google
內(nèi)文表示，量子技術(shù)在收集 AI 訓(xùn)練數(shù)據(jù)、發(fā)展新能源汽車(chē)和發(fā)現(xiàn)新藥方面都有其用武之地。
與此同時(shí)，他還展望了 Google 量子力學(xué)研究的下一個(gè)目標(biāo)：完成一個(gè)既「與實(shí)際程序相關(guān)」，又是「經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)」的計(jì)算，真正做到「有用」并且「超越經(jīng)典」。
