谷歌“量子霸权”再进一步，马斯克惊呼：Wow

当地时间12月9日，美国科技巨头谷歌发布最新的量子芯片Willow（柳树）以及基于该芯片的量子计算机。虽然该发布一开始仅在学界引发了一些讨论，随着特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）和谷歌CEO桑德·皮查伊（Sundar Pichai）在社交平台上围绕该芯片展开对话，使其受到了更多人的关注。

官方宣称，这块小小的芯片，能在五分钟内完成超级计算机需要亿万年才能搞定的计算任务。消息一出，连马斯克都惊叹一声“哇塞” ！

除了马斯克以外，人工智能新锐巨头OpenAI的CEO山姆·奥特曼（Sam Altman）也转发了皮查伊的推文，并回应称“热烈祝贺”。

Willow芯片的出现，或成功解决30年前提出的“量子纠错阈值”挑战。

20世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德·费曼等人提出构想，基于作为量子特性的量子叠加和量子纠缠构建“量子计算”。科学家们认为，相较于电子计算机，量子计算机理论上的运算能力将有几何级数的增长，有望成为下一代信息革命的关键动力。传统计算机使用二进制数字，即比特，是1或0，量子计算中的基本单位是量子比特，以量子态表示和存储信息，量子态是0和1的混合。

量子芯片Willow内含105个物理量子比特，其前身为谷歌旗下的Sycamore量子处理器，需要在接近绝对零度的实验室环境中发挥最佳性能。据谷歌研究团队发布的文章介绍，Willow芯片达成了两个重要成就。

首先，随着芯片里量子比特数量的增多，通过改进芯片中的量子比特，Willow可以成倍地减少计算错误。这解决了量子纠错领域的一个被称为“量子纠错阈值”的关键挑战，即从理论上来看，在一个系统中使用的量子比特越多，错误就会越多。该挑战在1995年被提出，学界已对其研究了近30年。没有高效的纠错机制，量子计算就无法投入实际应用。

谷歌实验室的研究科学家Michael Newman表示，为了实现量子纠错，需要将许多物理量子比特聚集到一起，让它们协同工作并形成一个逻辑量子比特：“每次我们增加逻辑量子比特，或者进行差异化分组，从3×3、5×5再到7×7的物理量子位阵列，错误率都没有出现上升，实际上一直在下降。我们每一次增加集合的尺寸，都会使错误率下降两倍。”

其次，Willow在不到5分钟的时间内完成了一个标准的基准计算，而如果要当今世界上一个最快的超级计算机完成同样的计算，也需要10^25（10的25次方）年（10000000000000000000000000年）的时间，这个时间长度已经超过了已知宇宙的年龄。

不过，值得注意的是，谷歌量子计算机进行的数学计算是一项专门用于衡量量子计算进展的测试，而不是一项可能在其他领域有用的任务。

谷歌的量子霸权项目始于2006年，最初专注于量子计算软件的研究。2014年，谷歌与加州大学圣塔芭芭拉分校的John Martinis教授团队合作，开始研究量子计算硬件。最终，该团队在2019年成功构建了名为“Sycamore”的处理器，并以此实现了量子霸权。

量子霸权的概念最早由加州理工学院的John Preskill教授在2012年提出，指的是量子计算机能够在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。谷歌的Sycamore处理器通过运行一个复杂的随机量子电路，仅用了200秒就完成了传统超级计算机Summit需要约10,000年才能完成的任务。这一突破性进展被谷歌宣布为量子霸权的实现，即量子计算机在某个特定问题上的计算能力超过了传统计算机。

然而，谷歌的声明和实验结果也遭到了一些质疑。

IBM团队指出，在传统超级计算机上模拟谷歌的计算结果其实只需要两天半，而非谷歌所称的1万年。因此，IBM认为谷歌并未真正实现“量子霸权”。此外，IBM还质疑谷歌是否考虑了大量磁盘存储等因素，认为这些因素可能影响实验结果。

面对质疑，谷歌并未停下量子计算研究的脚步。这次推出的Willow芯片是谷歌构建有用量子计算机的重要一步，也是朝着商业化量子计算迈进的关键里程碑。谷歌量子AI团队拥有约300名成员，并计划扩展，同时还在加州大学圣巴巴拉分校建立了自己的制造设施，致力于构建完整的量子生态系统。

理论上来看，量子计算机将能够处理更大量的数据，从而在医学、科学和金融等领域取得突破，也将对加密货币市场造成挑战。对于Willow的发布及其价值，一些学者认为这是量子计算领域一个重要的突破口，但也有专家指出，距离该技术真正走入现实还需要一定时间。

英国萨塞克斯大学量子技术教授Winfried Hensinger表示，在展示量子计算机处理运算中错误方面，谷歌的Willow芯片确实是一块“新的里程碑”。不过，Hensinger亨辛格也表示，Willow的规模“仍然太小，无法进行有用的计算”，量子计算机需要“数百万量子比特”来解决真正重要的行业问题。

然而，即便如此，也足以让全球其他科技巨头忌惮。

在21世纪的科技浪潮中，量子计算无疑是最具革命性的技术之一。它不仅能够颠覆传统的计算方式，更可能引领一场前所未有的科技革命，使全球科技巨头们纷纷加入这场激烈的竞赛，争夺量子计算的话语权。

在技术路径上，谷歌和IBM都致力于通过超导系统来实现量子计算，而英特尔则聚焦于硅自旋量子计算。这些不同的技术路线反映了科技巨头们在追求量子霸权时的多样化策略。尽管如此，量子计算的商业化应用仍面临诸多挑战，如量子纠错、容错能力等关键技术难题尚未完全解决。

另一家互联网科技巨头亚马逊则通过AWS量子计算中心和量子解决方案实验室入局量子计算，与D-Wave、IonQ和Rigetti合作提供云服务。AWS的“量子启航计划”旨在帮助企业为量子计算时代做好准备。

微软的量子计算战略则重点不在硬件，而是致力于构建量子计算的软件生态。微软通过其Quantum Development Kit（QDK）为开发者提供量子编程工具，支持量子算法的开发与测试。微软还推出了量子编程语言Q#，允许开发者创建量子计算应用，并在微软的量子模拟器上进行实验。

尽管量子计算的潜力巨大，但要实现大规模商用，仍然面临不少挑战。量子错误校正、硬件与规模、算法与应用等问题是当前量子计算研究的难点。然而，随着科技巨头们的不断投入和技术的不断进步，这些问题有望逐步得到解决。

自20世纪80年代量子计算概念提出以来，中国始终紧跟国际步伐，从政策鼓励研发到注重产业化应用，量子计算产业经历了显著的发展。

中国在量子计算领域的研究始于20年前，由一群大学生发起，旨在研发国产量子计算机，以增强国家竞争力。中国科学院院士郭光灿领导的团队在量子信息领域进行了长期探索，最终在2018年成功研发出首台国产工程化量子计算机原型机，使中国成为全球第三个具备量子计算机整机交付能力的国家或地区。

我国在量子计算技术上的突破主要体现在硬件和软件两个方面。硬件方面，中国已经成功研发出第三代超导量子计算机“本源悟空”，搭载72位自主超导量子芯片，共198个量子比特，是目前最先进的可编程、可交付超导量子计算机。

此外，北京量子信息科学研究院发布了“大规模量子云算力集群”，实现了五块百比特规模量子芯片算力资源和经典算力资源的深度融合，总物理比特数达到590，综合指标进入国际第一梯队。

软件方面，中国自主研发的量子计算操作系统诞生，并上线了中国第一个搭载量子计算机真机的量子计算云平台，从硬件、软件、人才和产业方面提高了中国量子计算原始创新能力。这些成果不仅标志着中国在全球量子计算竞赛中的重要地位，也预示着量子技术未来的应用前景。

而在自主量子芯片上，我国已经拥有了自主研发的第三代超导量子芯片——“悟空芯”。“悟空芯”拥有72个计算量子比特和126个耦合器量子比特，总共198个量子比特，该芯片采用了双层结构设计，能够实现量子叠加和纠缠等特性。与前两代量子芯片相比，“悟空芯”具有更高的相干时间，性能上有显著提升。

“悟空芯”搭载于第三代自主超导量子计算机“本源悟空”，该计算机能够一次性下发、执行多达200个量子线路的计算任务，比只能同时下发、执行单个量子线路的国际同类量子计算机具有更大的速度优势。

在实际应用中，用户可以使用“悟空芯”开发量子计算应用程序，这使得它在金融模拟、化学分子建模以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。而“悟空芯”的发布标志着中国自主超导量子计算机制造能力从小规模开始进入中等规模阶段，具备了自主生产一定中等规模的可扩展的量子计算机芯片和系统的能力。

总体而言，量子计算的崛起不仅改变了计算行业的游戏规则，也对多个行业产生了深远影响。量子计算机有望在金融、药物研发、物流等领域带来革命性的变革。然而，目前尚无明确的胜者，科技巨头之间的激烈竞争正在推动科学发现和技术创新的边界。