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中均有了重大突破，甚至解決了量子糾錯領域近30年來一直試圖攻克的關鍵難題。不過目前該芯片仍然處于實驗室階段，距離商業(yè)應用還需要時間。

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

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)相關報道，Willow可以在不到5分鐘的時間內完成一個標準計算任務。這項計算任務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實現(xiàn)如此高速運算，原因在于量子比特遵循量子力學原理。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，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。這項技術破解了計算領域近30年來的難題，跨越了量子糾錯的關鍵閾值。證明了通過增加量子比特數(shù)量來降低錯誤率是可行的，為未來構建更大規(guī)模、更可靠的量子計算機奠定了基礎。

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通過將多個物理量子比特組合成一個邏輯量子比特，構建了兩層網(wǎng)格結構，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，近些年來中國科學技術大學等多個單位的科研團隊均在量子計算領域有所布局。

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路線。

到了近期，由中國科學家研制的105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機相關成果在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達到了同一量級，“祖沖之三號”實現(xiàn)了超導量子計算的最強優(yōu)越性，而Willow在糾錯上獲得了重大進展。據(jù)業(yè)內人士透露，經(jīng)過20余年的努力，我國量子科技領域整體已經(jīng)實現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領跑的飛躍。

從市場來看，據(jù)ICVTA&K的預測，全球2023年量子產(chǎn)業(yè)的總體市場規(guī)?；蜻_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、光量子、離子阱、半導體等路線，而我國在超導和光量子領域有優(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”均為超導路線，但超導體需要在毫開爾文的低溫環(huán)境下運行，設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工藝設備和CIM芯片智能制造系統(tǒng)，設備配套齊全，形成自主可控的工藝閉環(huán)。預計2025年第一季度，將發(fā)布PDK工藝設計包。

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，不過在一些特定領域，例如量子化學模擬、加密破解等，可能會在未來的5-10年內出現(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，科學家們正在致力于構建專用量子模擬機，期望在未來3-5年時間，能夠解決一些具有實際應用價值的關鍵問題。例如復雜計算難題的求解，甚至哥德巴赫猜想等純數(shù)學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、生物學等基礎科學研究中，量子計算能夠模擬復雜的量子系統(tǒng)和化學反應過程，幫助科學家更好地理解物質的本質和相互作用。進一步實現(xiàn)在高精度測量、信息安全、新藥研發(fā)、醫(yī)學檢測、新材料應用等領域的快速突破。