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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘禺】

12月10日，谷歌重磅推出量子計算芯片“Willow”，在公關宣傳攻勢下，馬斯克送上了“Wow”，奧特曼也發(fā)來了賀電。

Willow是一款擁有105個物理量子比特的量子芯片，亮點在于其驚人的計算速度和錯誤校正能力。據(jù)報道，Willow能在不到5分鐘的時間內完成一個標準計算任務，而這個任務如果交給全球最快的超級計算機，可能需要超過10-25年，這個數(shù)字甚至超過了宇宙的年齡。

Willow的另一個成就是其指數(shù)級減少錯誤率的能力。隨著量子比特數(shù)量的增加，錯誤率通常會指數(shù)增長，但Willow通過先進的量子糾錯技術，實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級降低。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。這種對邏輯錯誤的潛在抑制為運行有糾錯的大規(guī)模量子算法奠定了基礎。

Google Quantum AI團隊的工作環(huán)境

權威專家的反應

量子計算的教主和旗手，美國計算機科學家Scott Joel Aaronson在他的博客也做了一些點評，盡管整體上比較積極樂觀，但話里話外還是有一些玄機。

比如，Aaronson要讀者明確，進步大體上符合多數(shù)人的預期：

對于過去五年一直在關注實驗量子計算的人來說（比如說，從2019年谷歌的原始量子霸權里程碑開始），這里沒有什么特別的震驚。自2019年以來，谷歌在其芯片上的量子比特數(shù)量大約翻了一番，更重要的是，將量子比特的相干時間提高了5倍。與此同時，他們的2量子比特門保真度現(xiàn)在大約是99.7%（對于受控-Z門）或99.85%（對于“iswap”門），相比之下2019年是~99.5%。

他談到最重要的是量子容錯跨過了門檻，但離“真正的”容錯量子比特還有距離：

從科學上講，頭條結果是，隨著他們增加表面碼的大小，從3×3到5×5到7×7，谷歌發(fā)現(xiàn)他們的編碼邏輯量子比特存活時間變長而不是變短。所以，這是一個非常重要的門檻，現(xiàn)在已經(jīng)被跨越了。正如Dave Bacon對我說的，“現(xiàn)在形成了漩渦”——或者，換個比喻，30年后，我們終于開始觸及量子容錯的龍尾，這條龍（一旦完全喚醒）將允許邏輯量子比特被保存和操作幾乎任意長的時間，允許可擴展的量子計算。

話雖如此，Sergio Boixo告訴我，谷歌只有在能夠以~10^-6的錯誤進行容錯的兩量子比特門（因此，在遭受一個錯誤之前，大約可以進行一百萬次容錯操作）時，才會認為自己創(chuàng)造了一個“真正的”容錯量子比特。我們還離這個里程碑有一段距離：畢竟，在這個實驗中，谷歌只創(chuàng)建了一個編碼量子比特，甚至沒有嘗試在其上進行編碼操作，更不用說在多個編碼量子比特上了。

Aaronson也談到了谷歌這次秒殺超算10^25年的“量子霸權實驗”：

谷歌還宣布了在其105量子比特芯片上進行新的量子霸權實驗，基于40層門的隨機電路采樣。值得注意的是，他們說，如果你使用目前已知的最佳模擬算法（基于Johnnie Gray的優(yōu)化張量網(wǎng)絡收縮），以及一臺百億億次超級計算機，他們的新實驗如果不考慮內存問題，需要大約3億年才能在經(jīng)典計算機上模擬，或者如果考慮內存問題，需要大約10^25年（注意，自大爆炸以來只過去了大約10^10年）。

他指出這里“10^25年”結果的最大問題，也就是谷歌量子芯片的計算結果沒有直接的驗證。他擔心谷歌沒有給予足夠的關注：

由于同樣的原因（據(jù)大家所知），經(jīng)典計算機模擬這一量子計算將花費約10^25年，因此經(jīng)典計算機直接驗證量子計算結果也需要約10^25年?。ɡ纾ㄟ^計算輸出的“線性交叉熵”得分）。因此，谷歌的新量子霸權實驗的所有驗證都是間接的，基于較小電路的外推，而這些電路是經(jīng)典計算機可以實際檢查結果的。需要明確的是，我個人沒有理由懷疑這些外推結果。但是，對于那些奇怪為什么我多年來一直癡迷于設計高效驗證的近期量子霸權實驗的原因：這就是原因！我們現(xiàn)在深陷于我之前警告過的不可驗證的領域。

以色列數(shù)學家和計算機科學家，量子計算懷疑論者Gil Kalai則在博客上寫道：

我們還沒有研究Google Quantum AI的這些特定聲明，但我的一般結論適用于它們：應謹慎對待 Google Quantum AI 的聲明（包括已發(fā)布的聲明），尤其是那些具有特殊性質的聲明。這些說法可能源于重大的方法論錯誤，因此，可能更多地反映了研究人員的期望，而不是客觀的科學現(xiàn)實。

Gil Kalai還在這篇博文中談到了量子計算炒作和比特幣的問題：

當2019年谷歌的量子霸權主張發(fā)布（或者更確切地說是泄露）時，有很多說法認為這意味著量子計算機就在附近，因此比特幣所需的密碼學將是可破解的，比特幣將失去其價值。

我通常不介意“炒作”，因為它反映了科學家對他們工作的熱情和公眾對科學努力的興奮。然而，就谷歌而言，需要謹慎行事。例如，在2019年宣布“霸權”之后，比特幣的價值在短短幾天內（2019年10月24日左右，經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定）從大約9,500美元跌至約8,500美元，給投資者帶來了超過100億美元的損失。比特幣今天的價值約為100,000美元。此外，谷歌的斷言可能對其它量子計算工作提出了不切實際的挑戰(zhàn)，并鼓勵了不受歡迎的科學方法的文化。

跨越量子糾錯的門檻

正如Aaronson所說，這次值得稱道的，不是無法直接驗證的“量子霸權”實驗，而是量子容錯跨過了門檻。

對于實用的量子計算機的主要困難，和對其中炒作的重新審視，心智觀察所此前在《美國開始重新審視量子計算機，這對中國很重要》一文中已經(jīng)做了詳細介紹。

這次Google Quantum AI團隊在《自然》雜志上發(fā)表的論文，其重要成果是跨過了量子糾錯的閾值，這又是怎么回事呢？

構建量子計算機的研究人員面臨的中心挑戰(zhàn)，是如何用不完美的部件構建出完美的機器。他們的基本構建塊，也就是量子比特，對外界干擾極其敏感。今天的原型量子計算機過于容易出錯，無法做任何有用的事情。

上世紀90年代，研究人員為克服這些錯誤奠定了理論基礎，稱為量子糾錯。關鍵思想是誘使一組物理量子比特協(xié)同工作，作為一個單一的高質量“邏輯量子比特”。然后計算機將使用許多這樣的邏輯量子比特進行計算。他們通過將許多有缺陷的組件轉化為較少的可靠組件來制造那臺完美的機器。

這種計算的煉金術也有局限，如果物理量子比特太容易失敗，糾錯反而會適得其反。也就是增加更多的物理量子比特會使邏輯量子比特變得更糟，而不是更好。但如果錯誤率低于特定閾值，平衡就會傾斜：你增加的物理量子比特越多，每個邏輯量子比特就變得越有彈性。

這次谷歌團隊終于跨越了這個閾值。他們將一組物理量子比特轉化為一個邏輯量子比特，隨著他們向該組添加更多的物理量子比特，邏輯量子比特的錯誤率急劇下降。

考慮一臺經(jīng)典計算機，信息表示為一串比特，0或1。任何隨機的故障，如果翻轉了比特的值，都會導致錯誤。為了防范錯誤，可以將信息分散到多個比特上，每個0重寫為000，每個1重寫為111。如果一組中的三個比特不是全部具有相同的值，你就會知道發(fā)生了錯誤，多數(shù)投票將修復錯誤的比特。但如果三元組中的兩個比特同時出錯，多數(shù)投票將返回錯誤的答案。

如果增加每個組中的比特數(shù)量，比如五比特，雖然這種更大的代碼可以處理更多的錯誤，你也引入了更多可能出錯的方式。只有當每個單獨比特的錯誤率低于特定閾值時，凈效應才是有益的，比如五比特版本可以容忍每個組中的兩個錯誤。

在量子世界中，情況更加棘手。量子計算中的每一步都是另一個錯誤源，糾錯過程本身也是如此。更重要的是，沒有辦法在不不可逆地干擾它的情況下測量量子比特的狀態(tài)。所以，起初許多研究人員認為量子糾錯是不可能的。