谷歌近日宣佈其量子計算領域取得重大突破，引發全球科技界的高度關注。他們最新研發的量子AI芯片，僅用5分鐘就解決了一個普通計算機需要連續工作一萬億億年（一秭年）才能完成的方程式。這個驚人的速度差距，足以讓任何人都感到震撼。

量子計算的瓶頸與突破

量子計算雖然聽起來前沿又酷炫，但長期以來都面臨着不穩定性問題。微小粒子不遵循日常物體的規則，即使是最先進的芯片也可能因爲脆弱狀態受到輕微干擾而失效。研究人員數十年來一直試圖利用這種不穩定的特性進行計算，但一直受制於錯誤累積速度過快，難以糾正的難題。

量子糾纏 量子力學 物理

圖源備註：圖片由AI生成，圖片授權服務商Midjourney

量子糾錯技術提供了一種可能的解決方案，但其本身也存在複雜性。它需要在多個量子比特（量子數據的基本單位）之間傳播信息，這在理論上很簡單，但在實踐中卻變成了一項複雜的挑戰。如果涉及的量子比特太多，則難以將錯誤率保持在某個關鍵閾值以下。

直到最近，還沒有人能夠證明，對於專門爲擴展而設計的代碼，錯誤率能夠降至關鍵點以下。谷歌的新型量子芯片架構改變了這一現狀。

“柳樹”芯片的驚人性能

谷歌量子AI實驗室創始人、量子科學家哈特穆特·內文（Hartmut Neven）稱“柳樹”(Willow)芯片的性能“令人震驚”。他補充說，其高速計算結果“印證了量子計算髮生在許多平行宇宙中的觀點”。內文還提到了牛津大學物理學家大衛·多伊奇(David Deutsch)，他提出的理論認爲，成功開發量子計算機可以支持量子力學的“多世界解釋”和多元宇宙的存在。

多伊奇自1970年代以來就成爲量子計算的先驅，他研究量子計算的目的，更多是爲了驗證他的多元宇宙理論。

平行宇宙的概念

平行宇宙，也稱爲替代宇宙或多個宇宙，指的是可能存在與我們自己的宇宙並存的其他現實。想象一下，我們的宇宙只是浩瀚宇宙泡沫中的一個氣泡，每個氣泡都是一個不同的宇宙，具有其獨特的物理定律、歷史，甚至是我們自己的不同版本。

科學家們通過諸如多元宇宙之類的理論來探索這個概念，這些理論表明可能存在無數其他宇宙，每個宇宙都有其自己的一組可能性。雖然我們尚未找到平行宇宙的切實證據，但這個想法引發了關於現實本質以及我們目前所見和理解之外的事物的有趣討論。

爭議與讚譽並存

然而，天體物理學家出身的作家伊桑·西格爾（Ethan Siegel）並不認同谷歌的觀點。他指責谷歌“混淆了不相關的概念，而內文也應該知道這一點”。

西格爾解釋說，內文混淆了量子力學發生的數學空間與平行宇宙和多元宇宙的概念。根據西格爾的說法，即使量子計算機成功，它們也不能證明平行宇宙的存在。

儘管存在分歧，西格爾仍然讚揚了谷歌在“柳樹”芯片上取得的成就，稱其爲“量子計算領域真正出色的進步”。他認爲，這一突破可能有助於解決地球上的一些重大問題，例如發現新藥、爲電動汽車設計更好的電池，以及推進聚變和新能源。

內文也表達了同樣的樂觀態度，他說:“許多這些未來改變遊戲規則的應用在傳統計算機上是不可行的;它們正等待着通過量子計算來解鎖。”

“柳樹”芯片的技術突破

“柳樹”芯片是谷歌量子AI團隊設計的最新超導處理器。與難以控制錯誤的舊設備不同，“柳樹”將性能推向了一個新區域，支持旨在使量子糾錯真正兌現其承諾的技術。

該系統滿足了被稱爲“表面代碼”的特定方法的條件。過去的嘗試在添加更多量子比特時遇到了障礙，但“柳樹”突破了這一障礙。

代碼距離與量子糾錯

量子糾錯框架經常提到一個叫做“代碼距離”的東西。簡單來說，這表示用於保護量子數據塊的量子比特的數量。如果滿足某些條件，則更大的距離（例如從3的代碼距離增加到5再到7）應該會降低整體故障概率。

在新設備上，距離每增加一個級別，邏輯錯誤率就會減半。這種改進長期以來一直是量子計算研究人員的主要目標。

根據已發佈的調查結果，谷歌量子AI實驗室創始人、量子科學家哈特穆特·內文表示，“‘柳樹’在五分鐘內完成了一項標準基準計算，而當今最快的超級計算機之一需要10秭年才能完成”。

持久性能與實時糾錯

運行僅幾個週期的測試可能無法揭示系統穩定性的全部情況。谷歌的新量子芯片通過將性能推高至一百萬個週期來克服這個問題。該設備在通常會讓其他系統喘不過氣來的時間尺度內保持其低於閾值的性能。在如此長的時間內保持實時解碼的準確性並非易事。

“柳樹”背後的團隊安排了他們的操作，以便可以即時應用校正。這種方法確保芯片不會偏離軌道。

谷歌首席執行官桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）表示:“我們認爲‘柳樹’是我們構建有用的量子計算機之旅中的重要一步。”

超越傳統瓶頸

傳統的超級計算機使用數十億個以良好理解的方式工作的微小開關來處理複雜的任務。相比之下，量子計算機利用的是無法簡化爲經典捷徑的現象。到目前爲止，問題始終在於如何讓微妙的量子狀態保持足夠長的生命力，以完成有意義的計算。

通過“柳樹”，該團隊表明量子比特可以以這樣一種方式協同工作，使錯誤不會失控。演示表明，量子芯片可以朝着超越傳統系統所能處理的計算方向發展。

量子計算的未來

谷歌的目標是利用能夠通過這些嚴格的可靠性測試的硬件來證明量子計算並非永遠停留在玩具問題的階段。

在不損失糾錯能力的情況下增加代碼距離表明，大量的量子比特可能有一天會爲與實際任務相關的算法提供動力，例如加速複雜的模擬、改進藥物發現流程，以及探索用於儲能的新材料。

“柳樹”在較長時間內達到低於閾值的錯誤率的成功可能會鼓勵那些一直在等待量子硬件將發展成爲值得信賴的工具的有力證據的行業的努力。

當糾錯變得例行公事時，量子糾錯的目的從來不是完全消除錯誤，而是使錯誤變得非常罕見，以至於機器可以運行計算直到結束。

如果未來的設計建立在“柳樹”的穩定性和擴展特性的基礎上，也許有一天，這種糾錯會在後臺發生，用戶無法看到。達到這種容錯水平可以使量子計算機處理遠遠超出經典硬件範圍的工作負載。這揭示了擴展這些令人難以置信的機器的實用途徑。

全球合作推動量子糾錯

谷歌量子AI和其他全球團體的努力並非孤立存在。量子糾錯領域吸引了許多研究人員的關注，他們致力於尋找通往實用設備的途徑。

在過去的十年中，研究表明了某些晶格設計和以謹慎佈局排列的邏輯量子比特的重要性。“柳樹”現在表明，通過正確的芯片架構和糾錯方案，可以跨越閾值。

這使整個領域更接近於構建可以解決有用問題的機器。雖然旅程尚未結束，但一個重要的拼圖已經到位。