谷歌量子计算新突破，离真正的量子计算机还有多远？

图虫创意

2024年12月9日，谷歌发布了他们在量子计算领域的一个新的里程碑。他们全新的量子计算芯片Willow，中文为柳树，芯片包含105个物理量子比特。利用这款芯片，他们实现了长寿命的逻辑量子比特，展示了量子(zi)纠(jiū)错(cuò)技(jì)术(shù)带(dài)来(lái)的(de)显(xiǎn)著(zhe)效(xiào)果(guǒ)，验(yàn)证(zhèng)了(le)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)技(jì)术(shù)路线(xiàn)的(de)正(zhèng)确(què)。

那(nà)么(me)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)技(jì)术(shù)是(shì)什(shén)么(me)？这(zhè)个(gè)突(tū)破(pò)距(jù)离(lí)真(zhēn)正(zhèng)能(néng)解决大量问题的通用量子计算机还有多远？

量子比特是量子计算机处理信息的最小单元，也是最简单的量子系统——二能级系统。类似经典比特，我们可以将这两个能级分别标记为0和1，不过，由于量子力学的叠加性，量子比特可以处于0和1的任意叠加态。为了便于想象，物理学家发明了一个非常好的可视化工具——Bloch球，一个半径为1的单位球面，球面上的每个点都对应于一个可能的量子态。经典比特在这个球面上只有两个点，分别是北极点（0）和南极点（1）。

测量一个经典比特，只需要看测量结果距离0近些还是1近些，比如0.3即可判定为0，因此经典比特的抗噪能力很强，目前半导体芯片的逻辑错误率在100FIT（10亿小时发生1次翻转错误，称为1FIT）水平，即连续工作1000万小时以上也不会出错。但量子比特就大不一样了，一方面量子态极为脆弱，环境中极微弱的扰动，也将导致其发生翻转，此外，量子比特的取值在(zài)Bloch球(qiú)面(miàn)上(shàng)是连续的，有些扰动即便不翻转量子比特，也可以让量子态在Bloch球面上移动，改变它的取值。因此量子比特相比经典比特极容易出错，导致量子计算结果不可靠，极大地限制了量子计算优势的发挥。

因此我们需要一种让量子比特在Bloch球面上保持不动的技术，这就是量子纠错技术。实现纠错最直接的办法就是冗余，比如我们可以用三个比特来当一个比特用，并采用“简单多数投票”方式确定(dìng)它(tā)们(men)代表的状态。此时三个比特中任意一个发生一次错误（例如，000变成了010），我们都可以正确地恢复信息。实际的纠错码要复杂一些，主要目的是希望用最少的冗余来实现同等的纠错(cuò)效(xiào)果(guǒ)，专(zhuān)业(yè)一(yī)点(diǎn)说(shuō)，就(jiù)是(shì)提(tí)升(shēng)编(biān)码(mǎ)效(xiào)率(lǜ)。量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)纠(jiū)错(cuò)会(huì)麻(má)烦(fán)得(de)多(duō)，因(yīn)为(wèi)我(wǒ)们(men)不(bù)可(kě)能(néng)在(zài)不(bù)改(gǎi)变(biàn)量(liàng)子(zi)态(tài)的(de)情(qíng)况(kuàng)下(xià)了(le)解(jiě)一(yī)个(gè)量(liàng)子(zi)态(tài)，换(huàn)句(jù)话(huà)说(shuō)，如(rú)果(guǒ)我(wǒ)们(men)想(xiǎng)看(kàn)一(yī)个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)是(shì)不(bù)是(shì)出(chū)错(cuò)了(le)，那(nà)它(tā)就(jiù)肯(kěn)定(dìng)已(yǐ)经(jīng)出(chū)错(cuò)了(le)！为(wèi)此(cǐ)，科(kē)学(xué)家(jiā)巧(qiǎo)妙(miào)的(de)想(xiǎng)到(dào)利(lì)用(yòng)冗(rǒng)余(yú)的(de)纠(jiū)错(cuò)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)与(yǔ)存(cún)储(chǔ)数(shù)据(jù)的(de)信(xìn)息(xi)比(bǐ)特(tè)之(zhī)间(jiān)的(de)某(mǒu)种(zhǒng)纠(jiū)缠(chán)（即(jí)所(suǒ)谓(wèi)“稳(wěn)定(dìng)子(zi)”，稳(wěn)定(dìng)子(zi)与(yǔ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)哈(hā)密(mì)顿(dùn)量(liàng)对(duì)易(yì)，因(yīn)此(cǐ)测(cè)量(liàng)稳(wěn)定(dìng)子(zi)不(bù)会(huì)导(dǎo)致(zhì)量(liàng)子(zi)态坍缩），并通过测量纠错比特的变化来追踪数据比特的错误位置和类型。

量子纠错只有在错误率足够低，即错误足够“稀疏”的时候才有效，否则会越纠越错。早期提出的各种纠错码，比如CSS码，尽管有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的(de)编(biān)码(mǎ)率(lǜ)，但(dàn)它(tā)们(men)要(yào)求(qiú)的(de)错(cuò)误(wù)率(lǜ)阈(yù)值(zhí)很(hěn)低(dī)，现(xiàn)有(yǒu)的(de)技(jì)术(shù)难(nán)以(yǐ)达(dá)到(dào)。谷(gǔ)歌(gē)团(tuán)队(duì)进(jìn)行(xíng)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)选(xuǎn)择(zé)的(de)是(shì)一(yī)种(zhǒng)叫(jiào)“表(biǎo)面(miàn)码(mǎ)（Surface code）”的(de)纠(jiū)错(cuò)技(jì)术(shù)，这(zhè)种(zhǒng)编(biān)码(mǎ)技(jì)术(shù)有(yǒu)几(jǐ)个(gè)好(hǎo)处(chù)，首(shǒu)先(xiān)它(tā)具(jù)有(yǒu)良(liáng)好(hǎo)的可扩展性，其次它的错误率阈值要求很低，只要(yào)达(dá)到(dào)百(bǎi)分(fēn)之(zhī)一(yī)水(shuǐ)平(píng)就(jiù)行(xíng)，第(dì)三(sān)就(jiù)是(shì)它(tā)只(zhǐ)要(yào)求(qiú)近(jìn)邻(lín)耦(ǒu)合(hé)，很(hěn)适(shì)合(hé)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)。

谷(gǔ)歌(gē)在(zài)Willow上(shàng)通(tōng)过(guò)二(èr)维(wéi)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)格(gé)点(diǎn)，得(de)到(dào)了(le)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)能(néng)力(lì)随(suí)物(wù)理(lǐ)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)数(shù)量(liàng)增(zēng)加(jiā)而(ér)指(zhǐ)数(shù)增(zēng)强(qiáng)的(de)证(zhèng)据(jù)，即(jí)随(suí)着(zhe)编(biān)码(mǎ)距(jù)离(lí)的(de)增(zēng)加(jiā)，出(chū)错(cuò)率(lǜ)以(yǐ)指(zhǐ)数(shù)形(xíng)式(shì)降(jiàng)低(dī)。这(zhè)个(gè)实(shí)验(yàn)第(dì)一(yī)次(cì)突(tū)破(pò)了(le)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)产(chǎn)生(shēng)正(zhèng)面(miàn)效(xiào)果(guǒ)的(de)阈(yù)值(zhí)，是(shì)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)研(yán)究(jiū)的(de)一(yī)个(gè)新(xīn)里(lǐ)程(chéng)碑(bēi)。

但(dàn)是(shì)**Willow所(suǒ)谓(wèi)的(de)5分(fēn)钟(zhōng)完(wán)成(chéng)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)机(jī)10的(de)25次(cì)方(fāng)年(nián)，即(jí)远(yuǎn)超(chāo)宇(yǔ)宙(zhòu)年(nián)龄(líng)千(qiān)万(wàn)亿(yì)倍(bèi)的(de)时(shí)间(jiān)才(cái)能(néng)完(wán)成(chéng)的(de)任(rèn)务(wu)，我(wǒ)们(men)需(xū)要(yào)正(zhèng)确(què)认(rèn)识(shi)。这(zhè)实(shí)际(jì)上(shàng)是(shì)针(zhēn)对(duì)一(yī)种(zhǒng)特(tè)(tè)定(dìng)(dìng)的(de)基(jī)准(zhǔn)测(cè)试(shì)而(ér)言(yán)的(de)，即(jí)所(suǒ)谓(wèi)随(suí)机(jī)电(diàn)路采样(yàng)。**量(liàng)子(zi)纠(jiū)缠(chán)所(suǒ)产(chǎn)生(shēng)的(de)计(jì)算(suàn)空(kōng)间(jiān)是(shì)指(zhǐ)数(shù)级(jí)增(zēng)长(zhǎng)的(de)，对(duì)这(zhè)样(yàng)的(de)庞(páng)大(dà)计(jì)算(suàn)空(kōng)间(jiān)进(jìn)行(xíng)采样(yàng)，对(duì)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机而言是自然而然的，对经典计算机那就是灾难了，每多一个比特，或演化的层数增加1层，计算的难度都将成倍增加，这就是传说中的“指数难”问题。随机线路采样无法用于解决实用问题，仅可用于证明量子芯片的错误率足够低，芯片的水平足够高，并不意味着我们用量子计算机去解决各种问题都能建立这样惊人的优势。

很多人问量子计算机是不是很快就能破密码，比特币是不是已经不安全了？这些担心为时尚早。谷歌的Willow芯片只是实现通用量子计算机万里长征的一小步。这个进展对目前广泛使用的非对称密码技术远远够不上威胁。能够破解互联网主流的RSA非对称密码和区块链使用的椭圆曲线非对称密码的通用量子计算机，至少需要上千个逻辑量子比特，每一个逻辑量子比特为做到足够低错误率，都需要1000个左右的物理量子比特来纠错，这就意味着实现能够解决问题的通用量子计算机，需要百万量级的物理量子比特，这个规模是Willow的一万倍。

所以，如同可控核聚变一样，通用量子计算是一个长期而伟大的科技挑战。Willow所取得的成就，只是这征途中的一小步，仍有比这大得多的挑战等着我们。我们既要为谷歌的成果感到兴奋，也要正确认识它的价值，不(bù)要(yào)造(zào)成(chéng)“过(guò)度(dù)期(qī)待(dài)”。我(wǒ)们(men)坚(jiān)信(xìn)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)未(wèi)来(lái)终(zhōng)将(jiāng)到(dào)来(lái)，同(tóng)时(shí)也(yě)应(yīng)对(duì)它(tā)保(bǎo)持(chí)耐(nài)心(xīn)，在(zài)它(tā)的(de)发(fā)展(zhǎn)途(tú)中(zhōng)为(wèi)其(qí)加(jiā)油(yóu)，不(bù)捧(pěng)杀(shā)，不(bù)棒(bàng)杀(shā)。结(jié)尾(wěi)引(yǐn)用(yòng)比(bǐ)尔(ěr)盖(gài)茨(cí)的(de)一(yī)句(jù)话(huà)：我(wǒ)们(men)往(wǎng)往(wǎng)容(róng)易(yì)高(gāo)估(gū)未(wèi)来(lái)两(liǎng)到(dào)三(sān)年(nián)的(de)变(biàn)化(huà)，却(què)低(dī)估(gū)未(wèi)来(lái)十(shí)年(nián)的(de)变(biàn)革(gé)。十(shí)年(nián)后(hòu)回(huí)头(tóu)看(kàn)，你(nǐ)一(yī)定(dìng)会(huì)惊(jīng)呼(hū)于(yú)量(liàng)子(zi)计(jì)算所带来的变革。

本文为·创作培育计划扶持作品
作者：金贻荣 北京量子信息科学研究院 研究员

审核：尹璋琦 北京理工大学 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司