谷歌發(fā)布量子芯片Willow，量子科技邁向新高度
近期，谷歌發(fā)布了一款名為Willow的量子芯片，這款芯片在多個(gè)技術(shù)指標(biāo)上取得了重大突破，尤其是在量子糾錯(cuò)這一領(lǐng)域，解決了困擾科學(xué)界近30年的關(guān)鍵難題。盡管目前Willow仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走，但它的技術(shù)進(jìn)展無(wú)疑為量子計(jì)算的未來(lái)奠定了重要基礎(chǔ)。
Willow芯片的技術(shù)突破：計(jì)算速度與糾錯(cuò)能力的雙重提升
Willow芯片擁有105個(gè)物理量子比特，憑借量子比特的獨(dú)特特性，其計(jì)算能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，Willow可以在不到5分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)，而這項(xiàng)任務(wù)如果交由全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)El Capitan處理，則需要耗費(fèi)10^25年，這一時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙的年齡。
量子芯片的強(qiáng)大計(jì)算能力來(lái)源于量子比特的疊加態(tài)特性。與傳統(tǒng)比特只能在0或1狀態(tài)之間切換不同，量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)。例如，10個(gè)量子比特可以同時(shí)表示2^10（即1024）種狀態(tài)，而105個(gè)量子比特則可以表示2^105種狀態(tài)，數(shù)量之多甚至超過(guò)了地球上沙粒的總數(shù)。這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的并行性賦予量子芯片在處理復(fù)雜計(jì)算任務(wù)時(shí)無(wú)與倫比的速度。
除了計(jì)算能力，Willow在量子糾錯(cuò)技術(shù)上也取得了里程碑式的進(jìn)展。傳統(tǒng)上，量子比特在疊加態(tài)時(shí)極易受到外界環(huán)境（如溫度、電磁場(chǎng)、宇宙射線等）的干擾，導(dǎo)致退相干現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)計(jì)算錯(cuò)誤。量子比特?cái)?shù)量越多，錯(cuò)誤率也會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。然而，Willow通過(guò)采用表面碼技術(shù)，將多個(gè)物理量子比特組合成一個(gè)邏輯量子比特，并構(gòu)建兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)量子比特和糾錯(cuò)量子比特），實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)降低。數(shù)據(jù)顯示，每當(dāng)晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時(shí)，編碼錯(cuò)誤率都會(huì)以2.14的倍率降低。這一突破證明了通過(guò)增加量子比特?cái)?shù)量來(lái)降低錯(cuò)誤率是可行的，為未來(lái)構(gòu)建大規(guī)模、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)提供了技術(shù)支撐。
中國(guó)量子科技的進(jìn)展：從“九章”到“祖沖之三號(hào)”
在量子科技領(lǐng)域，中國(guó)的研究也取得了矚目成就。2019年，中國(guó)發(fā)布了光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。近期，由中國(guó)科學(xué)家研發(fā)的105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)相關(guān)成果在arXiv上發(fā)表，其性能超越了谷歌2024年發(fā)布的72比特Sycamore處理器6個(gè)數(shù)量級(jí)，成為目前超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的佼佼者。
“祖沖之三號(hào)”與谷歌的Willow在量子比特?cái)?shù)量和性能上已達(dá)到同一量級(jí)，但兩者各具優(yōu)勢(shì)：
“祖沖之三號(hào)”：在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域展現(xiàn)了強(qiáng)大的計(jì)算能力，達(dá)到了目前的最強(qiáng)量子優(yōu)越性。
Willow：在量子糾錯(cuò)技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，為未來(lái)更大規(guī)模的量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。
目前，中國(guó)在量子科技領(lǐng)域整體已實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”甚至“部分領(lǐng)跑”的飛躍。尤其在超導(dǎo)和光量子技術(shù)路線方面，中國(guó)均已實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，研究成果受到國(guó)際廣泛關(guān)注。
多技術(shù)路線并行：超導(dǎo)與光量子各顯優(yōu)勢(shì)
量子計(jì)算目前主要有超導(dǎo)、光量子、離子阱和半導(dǎo)體等技術(shù)路線。其中，超導(dǎo)和光量子是最受關(guān)注的方向：
超導(dǎo)技術(shù)路線：包括谷歌Willow和中國(guó)的“祖沖之三號(hào)”，需要在極低溫環(huán)境（毫開(kāi)爾文）下運(yùn)行，雖然計(jì)算性能強(qiáng)大，但設(shè)備體積龐大、運(yùn)行成本高，限制了其商用化進(jìn)程。
光量子技術(shù)路線：如中國(guó)的“九章”系列，具備室溫運(yùn)行、芯片化和人工智能兼容的優(yōu)勢(shì)。光量子芯片制造可以利用成熟的CMOS工藝，無(wú)需依賴國(guó)外高端光刻機(jī)和制程工藝，具有更高的可擴(kuò)展性。
值得一提的是，今年9月，上海交大無(wú)錫光子芯片研究院建成了光子芯片中試線，形成了自主可控的工藝閉環(huán)。預(yù)計(jì)2025年第一季度，該中試線將發(fā)布PDK工藝設(shè)計(jì)包，為光量子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要支持。
量子科技的未來(lái)：從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化
盡管量子計(jì)算技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍需時(shí)日。目前，量子芯片的量子比特?cái)?shù)量仍停留在百位級(jí)，解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題需要上百萬(wàn)的糾錯(cuò)量子比特。據(jù)專家預(yù)測(cè)，量子計(jì)算的商業(yè)化可能還需10-20年時(shí)間。
不過(guò)，在一些特定領(lǐng)域，量子計(jì)算的應(yīng)用前景已經(jīng)初露端倪：
量子化學(xué)模擬：用于模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，助力新材料和新藥研發(fā)。
加密破解：量子計(jì)算的強(qiáng)大算力可能對(duì)現(xiàn)有的加密技術(shù)構(gòu)成威脅。
基礎(chǔ)科學(xué)研究：在物理、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域，量子計(jì)算可以幫助科學(xué)家破解復(fù)雜的理論難題，例如哥德巴赫猜想等。
中國(guó)科學(xué)家也在積極推進(jìn)專用量子模擬機(jī)的研發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)3-5年內(nèi)能夠解決一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵問(wèn)題，為量子計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展鋪平道路。
結(jié)語(yǔ)：中美量子科技競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入深水區(qū)
目前，中美在量子科技領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入深水區(qū)。兩國(guó)均已實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，并在不同技術(shù)方向上各有突破。谷歌Willow的發(fā)布展示了量子糾錯(cuò)技術(shù)的潛力，而中國(guó)“祖沖之三號(hào)”則在超導(dǎo)量子計(jì)算性能上實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先。
盡管如此，量子計(jì)算的商業(yè)化仍需克服諸多技術(shù)與成本難題。未來(lái)，隨著量子技術(shù)的不斷突破，我們有望在高精度測(cè)量、新藥研發(fā)、信息安全等領(lǐng)域看到量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用，為人類社會(huì)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。
