谷歌量子芯片發(fā)布震驚全球，但這并不是新鮮事

我國(guó)的超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在奮力追趕的同時(shí)，也應(yīng)沉得住氣，今年不行待明年。不必半年一小發(fā)布，一年一大發(fā)布，沒(méi)東西硬發(fā)布。畢竟谷歌此次發(fā)布距離上一次已過(guò)去五年。

撰文 | 無(wú)邪

2024年12月10日，谷歌公布了其量子芯片最新進(jìn)展：Willow芯片在RCS（隨機(jī)線路采樣）基準(zhǔn)測(cè)試中建立了史無(wú)前例的量子優(yōu)勢(shì)，5分鐘內(nèi)即可完成當(dāng)下最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1025（10億億億）年才能完成的計(jì)算——從創(chuàng)世之初到天荒地老也算不完。此外，這款芯片還首次實(shí)現(xiàn)了表面碼糾錯(cuò)的歷史性突破：糾錯(cuò)后的邏輯量子比特錯(cuò)誤率低于所有參與糾錯(cuò)的物理量子比特，換句話說(shuō)，現(xiàn)在終于可以越糾越好了。

實(shí)際上，早在今年9月，我就在《返樸》上發(fā)表了介紹相關(guān)工作的文章——《谷歌量子糾錯(cuò)取得重要突破：邏輯量子比特壽命大幅延長(zhǎng)》，并提到芯片上的進(jìn)步乃是促成這一突破的關(guān)鍵。文章指出了這項(xiàng)工作的歷史性意義，同時(shí)也表達(dá)了對(duì)國(guó)內(nèi)量子計(jì)算研發(fā)進(jìn)程的擔(dān)憂。令我頗感遺憾的是，當(dāng)時(shí)這篇文章并沒(méi)有引起多少關(guān)注。直到谷歌量子芯片Willow正式發(fā)布，立刻震驚全網(wǎng)。一時(shí)間，找我求證的人可謂絡(luò)繹不絕，紛紛讓我做出評(píng)價(jià)，我只得苦笑一聲并翻出那篇老文章，并告訴大家其實(shí)我已經(jīng)解讀過(guò)了。

轉(zhuǎn)念一想，我覺(jué)得還是值得再寫(xiě)一篇。此次谷歌“良心”地公布了芯片高清照片和總體指標(biāo)，所以我還是能提供一些新東西的。既然谷歌發(fā)布的主角是Willow芯片，那這次我就重點(diǎn)講下超導(dǎo)量子芯片。

量子芯片是量子計(jì)算的基本邏輯單元——量子比特的載體。此外，芯片上還需要排布與量子比特操控和測(cè)量相關(guān)的必要電路，包括讀取諧振腔/傳輸線、微波/直流操控線等，以及實(shí)現(xiàn)量子糾纏所必需的耦合單元。

事實(shí)上，超導(dǎo)量子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比，兩者有不少相似之處：同樣是將各種元器件以復(fù)雜的電路形式刻印在小小的硅片或其他襯底上，刻印的尺寸都在微納米尺度。這為超導(dǎo)量子計(jì)算帶來(lái)了一個(gè)非常誘人的優(yōu)勢(shì)：與半導(dǎo)體工業(yè)具有高度的可兼容性。不過(guò)，二者也有些顯著的區(qū)別。一方面是最核心的元器件，半導(dǎo)體芯片為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而超導(dǎo)量子芯片使用約瑟夫森結(jié)；另一方面是材料，半導(dǎo)體芯片主要使用摻雜硅、二氧化硅，以及銅、鋁等電路引線材料，而超導(dǎo)量子芯片必須使用各種常規(guī)超導(dǎo)材料，如鋁、鈮、鉭等。這些區(qū)別又導(dǎo)致了它們?cè)诠に囍瞥躺嫌芯薮蟮牟顒e。當(dāng)我給單位來(lái)訪嘉賓們講解我們的量子芯片加工實(shí)驗(yàn)室時(shí)，被問(wèn)到最多的一個(gè)問(wèn)題就是：“你們這個(gè)相當(dāng)于半導(dǎo)體的幾納米？”我總不免要先“呃”一下，然后大腦飛快思索一番，想如何能講清楚這個(gè)問(wèn)題。講完這些區(qū)別后，看著聽(tīng)眾們一言不發(fā)，只是抿著嘴堅(jiān)定地點(diǎn)頭，我知道，我又沒(méi)講透。

量子芯片的質(zhì)量，基本決定了最終量子計(jì)算的質(zhì)量。谷歌此次發(fā)布的Willow芯片，包含105個(gè)量子比特，等等，才105個(gè)量子比特，就值得這么大張旗鼓發(fā)布，還贏得馬斯克等一眾科技大佬的點(diǎn)贊嗎？要知道，蘋(píng)果M1芯片就包含了160億個(gè)晶體管?。∥业幕卮鹗?，值，這就是赤裸裸地秀肌肉，妥妥的塔尖級(jí)別的量子芯片。有諸多因素導(dǎo)致研發(fā)100規(guī)模量子計(jì)算芯片極富挑戰(zhàn)性。

首先，量子態(tài)極其脆弱。特別像超導(dǎo)量子比特這樣的宏觀量子比特，存儲(chǔ)的信息在眨眼工夫（不到1毫秒）就會(huì)徹底消失，想讓量子信息消失得慢一點(diǎn)，需要付出極大的努力（可參閱《超導(dǎo)量子比特壽命突破500微秒——雖為人間一剎，卻是意義非凡》）。

其次，經(jīng)典比特要么處于0要么處于1，只要噪聲不是大得離譜（比如在太空環(huán)境下），晶體管幾乎就不會(huì)出錯(cuò)。而量子比特則可以處于0和1的任意疊加態(tài)，任何輕微的擾動(dòng)就足以改變一個(gè)量子態(tài)。

第三，在多量子比特芯片中，比特與比特、比特與耦合器、比特與控制線等之間總會(huì)存在難以消除的殘余相互作用，導(dǎo)致所謂的“串?dāng)_”。串?dāng)_的存在極大地增加了校準(zhǔn)的難度和成本，限制了量子門(mén)保真度的提升，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤在量子比特間迅速蔓延。

此外還有頻率擁擠、封裝等問(wèn)題。要克服上述這些困難，需要在設(shè)計(jì)、材料和工藝等方面的長(zhǎng)期努力。谷歌用了5年時(shí)間，終于從Sycamore進(jìn)化到Willow，退相干時(shí)間取得了5倍的提升，對(duì)于這種高連通度、高調(diào)控自由度的芯片而言，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。再加上讀取速度和保真度方面的進(jìn)步，終于使得開(kāi)篇提到的兩項(xiàng)突破成為可能。

關(guān)于芯片的細(xì)節(jié)，我們目前只能從照片上了解。在之前arXiv上貼的論文（Quantum error correction below the surface code threshold）中，他們提到了這歸功于“能隙剪裁（Gap-engineering）”技術(shù)的應(yīng)用。此外，基于可調(diào)量子比特和可調(diào)耦合器，谷歌開(kāi)發(fā)了一整套基于數(shù)據(jù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的優(yōu)化方法，以確保所有量子比特工作在最佳狀態(tài)。芯片是量子計(jì)算最為核心的技術(shù)，谷歌、IBM等世界頂級(jí)團(tuán)隊(duì)，早已不再公布其技術(shù)細(xì)節(jié)。值得慶幸的是，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期從事超導(dǎo)量子計(jì)算研究的top團(tuán)隊(duì)仍能及時(shí)跟進(jìn)，并同樣取得不錯(cuò)的成績(jī)。

但我們需要警惕的是，我們過(guò)于關(guān)注一些“硬指標(biāo)”，如比特?cái)?shù)量、門(mén)保真度等，而容易輕視一些系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)和“軟指標(biāo)”，對(duì)于量子計(jì)算這樣復(fù)雜的系統(tǒng)性技術(shù)而言，這是過(guò)度簡(jiǎn)化的，時(shí)間長(zhǎng)了甚至是危險(xiǎn)的。舉例來(lái)說(shuō)，此次發(fā)布的Willow芯片，其讀取速度超過(guò)了90萬(wàn)次/秒，也就是1.1微秒完成一次讀取，這不僅要求芯片上有高超的設(shè)計(jì)，同時(shí)要求測(cè)控電子學(xué)系統(tǒng)有超高的實(shí)時(shí)解碼能力。谷歌最近還發(fā)表了一篇高水平論文，展示了機(jī)器學(xué)習(xí)模型AlphaQubit在量子計(jì)算錯(cuò)誤識(shí)別方面的優(yōu)異性能；IBM則在量子-超算融合方面取得進(jìn)展——利用127比特量子云平臺(tái)與“富岳”的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了包含28個(gè)原子的FeS團(tuán)簇分子計(jì)算。這樣的例子還有很多。如何構(gòu)建一套科學(xué)的、與時(shí)俱進(jìn)的系統(tǒng)評(píng)測(cè)方法，或者說(shuō)基準(zhǔn)測(cè)試方法，對(duì)未來(lái)推動(dòng)量子計(jì)算工程化、實(shí)用化而言是非常重要的。

最后，祝賀谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)。我國(guó)的超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在奮力追趕的同時(shí)，也應(yīng)沉得住氣，今年不行待明年。不必半年一小發(fā)布，一年一大發(fā)布，沒(méi)東西硬發(fā)布。畢竟谷歌此次發(fā)布距離上一次已過(guò)去五年。

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