谷歌量子计算里程碑：新芯片5分钟解开“万亿年”难题，或触及平行宇宙

谷歌近日宣布其量子计算领域取得重大突破，引发全球科技界的高度关注。他们最新研发的量子AI芯片，仅用5分钟就解决了一个普通计算机需要连续工作一万亿亿年（一秭年）才能完成的方程式。这个惊人的速度差距，足以让任何人都感到震撼。

量子计算的瓶颈与突破

量子计算虽然听起来前沿又酷炫，但长期以来都面临着不稳定性问题。微小粒子不遵循日常物体的规则，即使是最先进的芯片也可能因为脆弱状态受到轻微干扰而失效。研究人员数十年来一直试图利用这种不稳定的特性进行计算，但一直受制于错误累积速度过快，难以纠正的难题。

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量子纠错技术提供了一种可能的解决方案，但其本身也存在复杂性。它需要在多个量子比特（量子数据的基本单位）之间传播信息，这在理论上很简单，但在实践中却变成了一项复杂的挑战。如果涉及的量子比特太多，则难以将错误率保持在某个关键阈值以下。

直到最近，还没有人能够证明，对于专门为扩展而设计的代码，错误率能够降至关键点以下。谷歌的新型量子芯片架构改变了这一现状。

“柳树”芯片的惊人性能

谷歌量子AI实验室创始人、量子科学家哈特穆特·内文（Hartmut Neven）称“柳树”(Willow)芯片的性能“令人震惊”。他补充说，其高速计算结果“印证了量子计算发生在许多平行宇宙中的观点”。内文还提到了牛津大学物理学家大卫·多伊奇(David Deutsch)，他提出的理论认为，成功开发量子计算机可以支持量子力学的“多世界解释”和多元宇宙的存在。

多伊奇自1970年代以来就成为量子计算的先驱，他研究量子计算的目的，更多是为了验证他的多元宇宙理论。

平行宇宙的概念

平行宇宙，也称为替代宇宙或多个宇宙，指的是可能存在与我们自己的宇宙并存的其他现实。想象一下，我们的宇宙只是浩瀚宇宙泡沫中的一个气泡，每个气泡都是一个不同的宇宙，具有其独特的物理定律、历史，甚至是我们自己的不同版本。

科学家们通过诸如多元宇宙之类的理论来探索这个概念，这些理论表明可能存在无数其他宇宙，每个宇宙都有其自己的一组可能性。虽然我们尚未找到平行宇宙的切实证据，但这个想法引发了关于现实本质以及我们目前所见和理解之外的事物的有趣讨论。

争议与赞誉并存

然而，天体物理学家出身的作家伊桑·西格尔（Ethan Siegel）并不认同谷歌的观点。他指责谷歌“混淆了不相关的概念，而内文也应该知道这一点”。

西格尔解释说，内文混淆了量子力学发生的数学空间与平行宇宙和多元宇宙的概念。根据西格尔的说法，即使量子计算机成功，它们也不能证明平行宇宙的存在。

尽管存在分歧，西格尔仍然赞扬了谷歌在“柳树”芯片上取得的成就，称其为“量子计算领域真正出色的进步”。他认为，这一突破可能有助于解决地球上的一些重大问题，例如发现新药、为电动汽车设计更好的电池，以及推进聚变和新能源。

内文也表达了同样的乐观态度，他说:“许多这些未来改变游戏规则的应用在传统计算机上是不可行的;它们正等待着通过量子计算来解锁。”

“柳树”芯片的技术突破

“柳树”芯片是谷歌量子AI团队设计的最新超导处理器。与难以控制错误的旧设备不同，“柳树”将性能推向了一个新区域，支持旨在使量子纠错真正兑现其承诺的技术。

该系统满足了被称为“表面代码”的特定方法的条件。过去的尝试在添加更多量子比特时遇到了障碍，但“柳树”突破了这一障碍。

代码距离与量子纠错

量子纠错框架经常提到一个叫做“代码距离”的东西。简单来说，这表示用于保护量子数据块的量子比特的数量。如果满足某些条件，则更大的距离（例如从3的代码距离增加到5再到7）应该会降低整体故障概率。

在新设备上，距离每增加一个级别，逻辑错误率就会减半。这种改进长期以来一直是量子计算研究人员的主要目标。

根据已发布的调查结果，谷歌量子AI实验室创始人、量子科学家哈特穆特·内文表示，“‘柳树’在五分钟内完成了一项标准基准计算，而当今最快的超级计算机之一需要10秭年才能完成”。

持久性能与实时纠错

运行仅几个周期的测试可能无法揭示系统稳定性的全部情况。谷歌的新量子芯片通过将性能推高至一百万个周期来克服这个问题。该设备在通常会让其他系统喘不过气来的时间尺度内保持其低于阈值的性能。在如此长的时间内保持实时解码的准确性并非易事。

“柳树”背后的团队安排了他们的操作，以便可以即时应用校正。这种方法确保芯片不会偏离轨道。

谷歌首席执行官桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）表示:“我们认为‘柳树’是我们构建有用的量子计算机之旅中的重要一步。”

超越传统瓶颈

传统的超级计算机使用数十亿个以良好理解的方式工作的微小开关来处理复杂的任务。相比之下，量子计算机利用的是无法简化为经典捷径的现象。到目前为止，问题始终在于如何让微妙的量子状态保持足够长的生命力，以完成有意义的计算。

通过“柳树”，该团队表明量子比特可以以这样一种方式协同工作，使错误不会失控。演示表明，量子芯片可以朝着超越传统系统所能处理的计算方向发展。

量子计算的未来

谷歌的目标是利用能够通过这些严格的可靠性测试的硬件来证明量子计算并非永远停留在玩具问题的阶段。

在不损失纠错能力的情况下增加代码距离表明，大量的量子比特可能有一天会为与实际任务相关的算法提供动力，例如加速复杂的模拟、改进药物发现流程，以及探索用于储能的新材料。

“柳树”在较长时间内达到低于阈值的错误率的成功可能会鼓励那些一直在等待量子硬件将发展成为值得信赖的工具的有力证据的行业的努力。

当纠错变得例行公事时，量子纠错的目的从来不是完全消除错误，而是使错误变得非常罕见，以至于机器可以运行计算直到结束。

如果未来的设计建立在“柳树”的稳定性和扩展特性的基础上，也许有一天，这种纠错会在后台发生，用户无法看到。达到这种容错水平可以使量子计算机处理远远超出经典硬件范围的工作负载。这揭示了扩展这些令人难以置信的机器的实用途径。

全球合作推动量子纠错

谷歌量子AI和其他全球团体的努力并非孤立存在。量子纠错领域吸引了许多研究人员的关注，他们致力于寻找通往实用设备的途径。

在过去的十年中，研究表明了某些晶格设计和以谨慎布局排列的逻辑量子比特的重要性。“柳树”现在表明，通过正确的芯片架构和纠错方案，可以跨越阈值。

这使整个领域更接近于构建可以解决有用问题的机器。虽然旅程尚未结束，但一个重要的拼图已经到位。