芯片规模扩展推动量子计算更接近现实应用

Chris Palmer

Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 6 -8.

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Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 6 -8. DOI: 10.1016/j.eng.2025.06.002
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Scaled Up Chip Pushes Quantum Computing a Bit Closer to Reality

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Chris Palmer. 芯片规模扩展推动量子计算更接近现实应用[J]. 工程（英文）, 2025, 50(7): 6-8 DOI:10.1016/j.eng.2025.06.002

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2024年12月9日出版的《自然》杂志[1]中，谷歌工程师团队公布了最新量子计算芯片突破性研究成果“Willow芯片”（图1）。该研究成果实现了一个全新的里程碑——将错误率降至“低于阈值”水平，而错误率正是困扰超导量子计算系统的问题（图2）。尽管任重道远，但这项突破使该领域朝着量子计算所承诺的超高速应用又向前迈进了一步。届时，药物研发、材料科学、金融、网络安全和机器学习等领域都将从量子计算中获益。
过去几年，量子计算领域虽稳步发展，但基于超导电路的量子计算系统始终存在不稳定性，且极易出错。为减少错误，谷歌团队采取了硬件与算法双管齐下的改进策略。硬件方面，Willow芯片搭载105个物理量子比特，较上一代芯片“Sycamore”[2]翻了一倍多。算法方面也进行了优化升级。这些改进带来的稳定性使Willow芯片再次证明了“量子计算优越性”——在5 min内即可完成一项世界最快的超级计算机需要1025年才能完成的高精准计算任务[1,3‒4]。
“这是目前市面上最先进的超导量子计算芯片之一。”南加利福尼亚州大学（USC，位于美国加利福尼亚州洛杉矶）工程学教授、USC量子信息科学与技术中心主任、USC洛克希德·马丁量子计算中心联合主任Daniel Lidar表示：“就我们用来衡量量子比特质量的常规参数而言，它已处于顶尖水平。”
量子比特是量子信息的基本构成单元。与经典计算机只能以“1”或“0”存储信息的比特不同，量子比特可同时以“1”“0”或两者叠加的状态存储信息。这种多功能性使科研人员能设计出特殊算法，快速解决经典计算机须耗费极长时间才能解决的问题。
然而，量子比特十分脆弱，其叠加态易受环境干扰。若无法有效校正这些预期内的干扰（即错误），量子比特的稳定性会迅速丧失，而无法完成有效计算。为解决脆弱量子比特的错误，研究人员开发了详尽的方案来构建“逻辑量子比特”，将信息分散存储在多个处于叠加态的“物理量子比特”中，从而提高其抗噪能力。近年来，已有多个企业和学术研究团队证明该方法可小幅提升计算精度[5‒7]，但谷歌Willow芯片成果首次实现了“低于阈值”的量子纠错率。具体而言，谷歌工程师证实，随着量子比特规模扩大（即数量增加），Nillow芯片的纠错效果会呈指数级提升。通常情况下，系统中量子比特数量越多，错误也越多；纠错能让系统达到一个平衡点，即量子比特增加时，错误也能以相应的速度得到纠正。而Willow芯片的突破在于，量子比特增加越多，纠错效率越高，从而使系统错误率降至阈值以下。
“这是一项工程壮举。”劳伦斯伯克利实验室（美国加利福尼亚州伯克利）高级科学家兼实验室量子系统加速器负责人Bert de Jong表示，“Willow芯片的核心突破不仅在于芯片本身，更在于其实现了智能、快速且高效的纠错。”
2019年，谷歌高调宣布其54量子比特的Sycamore量子处理器实现了首次超越经典计算（即量子优越性），它将每个物理量子比特都编码到超导电路中[8‒9]。2023年年初，谷歌又发布一项成果，在Sycamore芯片量子处理器中使用了49个量子比特，该改造后的版本证实了随量子比特数量增加，量子纠错能力提升的可行性[2]。而Willow芯片是该技术的规模化升级版本，完全在位于美国加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能园区制造[3]。
在基准测试中，谷歌研究人员发现，当芯片的物理量子比特阵列从3 × 3、5 × 5扩展到7 × 7时，每次错误率较上一代Sycamore芯片都降低约2.14倍[4]。“但他们目前还无法证明将阵列扩展到9 × 9时错误率仍会下降，因为这需要约150个量子比特。”Lidar指出，“此外，噪声可能再次增加，或者控制电路无法跟上，这些都有待进一步观察。”
如前所述，Willow芯片强大的纠错能力使其能在不到5 min内完成Frontier（全球最快的超级计算机之一）需要1025年才能完成的标准基准计算任务[10]。这项随机电路采样任务由谷歌工程师设计，专门用于展示量子计算机的潜在能力。2019年谷歌首次证明量子优越性时也采用了该任务[9]。Lidar表示：“这是一个专为量子计算机大放异彩而精心设计的任务，是一种衡量性能的方法。但除了随机数生成（其在某些特定领域有应用）之外，该方法并未对备受关注的问题提供实用解决方案。”杜克大学（美国北卡罗来纳州达勒姆）电气与计算机工程及物理学教授、杜克大学量子中心主任Chris Monroe也同意：“这完全没用。唯一的意义就是以一种非常间接的方式证明你的量子计算机能够运行。”
尽管如此，Willow芯片的稳定性成果仍表明，未来若进一步增加芯片中的物理量子比特数量，错误率有望进一步降低。但要实现实际有用的量子计算，系统稳定性须达到每1000万步运算仅出现1次错误[11]。谷歌Willow团队估计，要实现如此低的错误率，每个逻辑量子比特需要由大约1000个物理量子比特组成，进一步提升纠错技术可以将该数量减至200个量子比特[1,11]。
Lidar表示，谷歌之所以能制造出性能更优的量子比特，一方面得益于工程技术的改进，另一方面是它通过使用更优质的材料，减少了芯片中的各类杂质。“要提高逻辑量子比特性能，物理量子比特本身的质量必须非常高。”Lidar补充道，“该硬件的某些关键细节目前披露较少，因为谷歌和其竞争对手一样，并未公开这些信息。”类似的，de Jong也相信谷歌将通过优化制造工艺进一步提高量子比特的保真度。他说：“追求材料的完美至关重要，因为任何缺陷都会导致误差和噪声。”
软件方面，谷歌采用了“动态解耦”等技术，通过向量子比特施加电磁脉冲来抑制环境噪声[12‒13]。这些脉冲本质上能将量子系统冻结在初始状态，有效阻止退相干，从而维持量子纠缠状态，延长量子比特的运行寿命。
要制造出具有实际用途的量子计算芯片，除了增加物理量子比特数量，还须应对其他挑战，包括将大量逻辑量子比特联网，使其能交换量子状态[11]。Willow芯片的量子比特连接性相对有限，即每个量子比特仅能与少数其他量子比特相连。“你得开始信息交换了，但这样做可能会导致信息在传递过程中失去连贯性。”Lidar说道，“但若能成功实现量子纠错，这种信息交换的影响也会变小，因为此时你已免受退相干的困扰。”
目前还有其他量子计算架构，如基于光子、囚禁离子或中性原子的架构[14]。理论上，这些架构中每个量子比特都能与其他所有量子比特相连，且不受环境噪声引发的错误影响。尽管全光子量子计算机已实现量子优越性[14]，但这些替代架构尚未开发出业界专家一致认同能解决实际问题的系统，更别说在效率上超越经典计算机了。
无论最终哪种架构能脱颖而出，Monroe都对量子计算企业的未来充满信心。“展望30年后，若那时仍未出现可用的量子计算机，我会感到惊讶，而且没人会在意量子计算机内部是什么。”De Jong也认为，要开发出能广泛应用于工业领域的量子计算机仍道阻且长。“要在未来5年甚至10年内看到量子计算的大规模商用，希望依然渺茫。”他表示，“然而，一旦量子计算创造出价值，无论首个应用领域是什么，定会吸引更多投资涌入，推动量子计算机的商业应用。”
Lidar深信，Willow芯片的最终意义在于成为迈向更宏大目标的垫脚石。“它是我们在研发更优质逻辑量子比特道路上的重要一步。”他说，“量子计算的发展方向毋庸置疑：芯片规模更大、更多量子比特、更强逻辑量子比特等等。”
2095-8099/© 2025 THE AUTHOR. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an

参考文献

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