戍天九思：谷歌量子芯片突破了什么？中国落后了吗？

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　　12月9日，谷歌发布最新的量子芯片“ 威洛”（Willow），世界轰动。因为这款芯片宣称能用5分钟时间，完成现在最快的超级计算机需要10的25次方年，才能算完的计算，而这是远比宇宙年龄还要长的时间。

　　看到许多国内媒体在神吹，笔者实在忍不住笑了。那么，谷歌最新量子芯片究竟突破了什么？中国真的落后了吗？

　　谷歌最新量子芯片有两大突破

　　现在所说的量子比特，都不是理论上理想的量子比特，而是采取某种特殊方法模拟出来的近似量子比特。具体来说，有超导量子、离子阱量子、光子量子、量子点量子、中性原子量子、拓扑量子等技术路线，超导量子是目前相对成熟的技术。目前这些技术路线都有这样那样的问题，突出的问题是：模拟出来的量子比特，不仅寿命很短，而且容易出错，技术门槛和成本都很高。这样，就会导致量子计算机不稳定不可靠，实用性很差。谷歌这次突破到底厉害在哪呢？厉害在它既大幅提升了量子比特寿命，又降低了量子出错率。具体来说：

　　一个是，量子比特相开时间比上一代提升了5倍。量子比特相开时间，也叫量子寿命。如果量子比特相开时间短，在完成量子计算前就失去了量子特性，就会导致计算失败。谷歌新一代芯片Willow仅有105个物理量子比特（离子阱量子比特），保持相干的时间从上一代的20微秒，增加到了100微秒。这离通用量子计算机的要求相距甚远。

　　另一个是量子比特总出错率比上一代降低了20倍。谷歌这次发明了一种实时纠错的办法，能让量子比特越多，出错率反而越低！与上一代芯片相比Willow的总出错率，降低了整整20倍。其大致思路是：用多个量子比特，组成3×3或者7×7的方阵，叫做逻辑量子比特，这样即使方阵里其中一个量子比特出错也没关系。因为方阵越大，出错的概率就越低。

　　谷歌这次把相干时间和实时纠错结合起来，相当于谷歌发现一个方法：量子芯片越大，它反而会越容易保鲜、越不容易出错。这就是边际效益递增，也就是说开辟了把量子芯片做大做强的道路。

　　总之，虽然量子计算机仍很弱小，但谷歌这次突破证明，离子阱量子这条技术路线的潜力是巨大的，也是可行的。

　　被垮大的量子计算机——离实用至少还有5年以上

　　谷歌的量子人工智能实验室负责人哈特穆特？内文表示，“威洛”将被用于一些实际应用，但目前拒绝提供更多细节。他表示，具备商业应用价值的量子芯片在2030年之前不可能问世。

　　英国萨里大学计算机专家艾伦？伍德沃德教授表示，这一进展“鼓舞了所有努力制造实用量子计算机的人”。但就研发具有实用性的通用量子计算机而言，“威洛”的运算错误率仍需要大幅降低。

　　美国国家量子计算中心主任迈克？卡斯伯特指出，“威洛”更像是一个“里程碑，而不是一个突破”。

　　11月29日，潘建伟院士在2024量子科技和产业大会上指出，量子计算分为三个阶段，当前正处在第二阶段。谷歌和IBM、英国和法国政府都提出了在2035年前后实现100万个量子比特相干操纵的目标（即跨过通用量子计算门槛）。我国正在编制的国家量子科技相关规划中，也提出了同样的目标。潘建伟院士认为，通过10至15年的努力，在纠错顺利完成的基础之上，中国有望构建通用量子计算机。

　　中国量子技术总体上领先美国

　　截止2024年，中国量子技术专利总数全球第一，达到3217件，美国量子技术专利为2740件。其中，中国在量子通信和量子测量专利总数都超过美国、保持第一，但是，在量子计算专利上稍落后于美国。具体来说，中美量子计算有五个标志性事件：

　　☆2023年10月，美国的“原子计算”公司成功研发并测试了一台拥有1180个中性原子量子比特的量子计算机。

　　☆2023年12月，IBM推出了拥有1121个超导量子比特的Condor（秃鹰）芯片。

　　☆2023年10月11日，中科大团队成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，一直保持着全球光子量子芯片中量子比特数最多的记录（美国的“北极光”只有216个光子量子比特）。

　　☆2024年7月，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿等人成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器“天元”，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，标志着我国在量子计算研究领域的第二阶段中取得里程碑式进展。相关研究成果发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

　　▲费米子哈伯德模型量子模拟器示意图

　　☆2024年12月7日，中国电信在数字科技生态大会上正式发布了“天衍-504”超导量子计算机（天衍-504芯片为504个超导量子比特），强调其在量子计算商业化和实用化进程中的重要性。该平台由一台24比特、两台176比特和一台504比特量子计算机组成，自从2023年11月启用以来，吸引了来自全球50多个国家的超过1200万访问者，已完成实验任务超60万个，显示出强大的用户基础和市场潜力。

　　从此，量子计算机可能会变成一个科学的工具，而不再是少数物理学家和工程师的玩具。

　　衡量量子计算机的性能强弱，不仅要看量子比特数的多少，还要看量子比特的相干时间、保真度、可扩展性以及量子门操作的精度和速度等因素。因此，目前中美量子计算机的实际计算能力到底如何？不能简单地看量子比特数。因为摸拟量子比特的技术路线不同，各有利弊。即使是同一技术路线，也不能只看量子比特数，更要看其量子比特多大程度接近理论上的量子比特。

　　中国电信的天衍504芯片属超导量子比特芯片，在可扩展性和快速门操作方面具有优势，但其退相干时间较短且需要极低温环境。

　　谷歌的Willow芯片属物理量子比特，也叫离子阱量子比特，它在退相干时间和稳定性方面表现较好，但其操作速度较慢且需要复杂的环境条件。这次谷歌突破的还是该技术路线中相对容易的方面。

　　量子技术业内普遍认为，目前制约量子计算的除量子相干时间和纠错之外，由于量子计算需要特殊算法，因此量子算法少也是重要瓶颈。目前，比较好用的量子算法只有几种。

　　中国尽管在超导量子芯片比特数上与美国存在差距，但是，如果中国通过量子计算平台全球共享，能发现更多实用管用的量子算法，必将在量子计算商业化和实用化上走在前列。