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本文内容整理自DeepMind在线发布Willow，公开发表于2024年12月09日。原始内容参考：https://www.youtube.com/watch?v=W7ppd_RY-UE
内容提要: 谷歌量子人工智能团队发布Willow量子芯片Google Quantum AI发布了最新的量子计算芯片Willow: 这是Google在构建大规模量子计算机道路上的重要里程碑，也是继Foxtail、Bristol Cone和Sycamore之后的最新成果。 Willow显著提高了量子相干时间: 相较于Sycamore的20微秒，Willow的量子相干时间提升至100微秒，实现了五倍的增长，且未牺牲其他关键性能。这一进步得益于Google新建的专用超导量子芯片制造工厂。 Willow实现了量子纠错临界阈值以下的逻辑量子比特: 这是量子计算领域长期追求的目标，Willow首次实现了逻辑量子比特中错误的指数级衰减，其寿命也比构成它们的物理量子比特更长。这意味着通过增加量子比特数量，可以利用量子纠错提高精度。 Willow在随机线路采样基准测试中大幅超越经典超级计算机: 根据估算，Willow在几分钟内完成的计算，最快超级计算机需要10的25次方年才能完成，展现了量子计算在特定应用中的指数级优势。 Willow采用可调谐量子比特和耦合器技术: 这使得Willow能够实现超快的门和操作、可重构性以及高连接性，从而实现整个设备的可重复高性能，并通过软件降低所有量子比特的错误率。 Willow拥有优异的技术规格: 在量子比特数量、连接性、错误率、相干时间、测量速率和应用性能等方面均达到最佳水平。 Willow为未来量子计算应用奠定了基础: Willow的突破将推动科学发展，并有望在制药、电池和聚变能源等领域带来商业应用，解决经典计算无法解决的问题。
Willow发布正文
主持人： 我们宇宙背后的系统遵循量子力学原理。它们根据所承担的任务而变化，同时探索大量的可能性。与自然界一样，量子计算对所处的环境做出响应，从而为解决未来最具挑战性的问题带来新的突破。我们隆重推出最新的量子计算芯片——Willow，它由Google Quantum AI研发，旨在像我们周围的自然世界一样学习和进化。
朱利安·凯利（Julian Kelly）： 大家好，我是Julian Kelly，Google Quantum AI的硬件总监。今天，我荣幸地代表我们优秀的团队宣布Willow的诞生。Willow是Google最新、最强大的超导量子计算芯片，也是我们在构建大规模量子计算机和探索其应用道路上的又一重要里程碑。
自从2008年第一次尝试使用量子比特进行实验以来，我就对量子计算着迷。2015年加入Google以来，我的梦想就是通过构建量子计算机来解决那些无法用经典方法解决的问题，从而实现我们的使命。我们在2017年推出了我们的第一款芯片Foxtail，随后是2018年的BristolCone和2019年的Sycamore，后者为我们的里程碑1——第一台在随机线路采样计算任务中超越最佳经典超级计算机的量子计算机——提供了动力。
多年来，我们通过Sycamore获得了显著的性能提升，包括在里程碑2中实现了可扩展的逻辑量子比特。虽然最终我们受到量子相干时间的限制——量子比特保持其预期状态的时间长度——但在Willow中，我们取得了巨大的进步。
我们将量子相干时间(Coherence)提高了五倍，从Sycamore的20微秒提高到Willow的100微秒。我们实现了这一点，而没有牺牲任何使我们的系统如此成功的特性。这一进步得益于我们在圣巴巴拉新建的专用超导量子芯片制造工厂，这是世界上为数不多的几家之一。
我们看到了Willow带来的令人兴奋的发展，它已经超越了Sycamore的突破性演示。我们的逻辑量子比特现在运行在量子纠错临界阈值以下，这是自该理论在90年代被发现以来，量子计算领域长期追求的目标。
并且我们第一次通过Willow实现了这一点。在我们的逻辑量子比特中，错误呈指数级衰减，因为每次我们从距离3增加到5再到7的表面码时，错误率就会减半。此外，我们的逻辑量子比特寿命现在比构成它们的物理量子比特的寿命长得多。这意味着，即使我们通过增加更多量子比特来使我们的量子芯片更大更复杂，我们也可以使用量子纠错来实际提高其精度。
我们将Willow与世界上最强大的超级计算机之一进行了随机线路采样基准测试的比较。结果相当令人惊讶。根据我们的最佳估计，Willow不到五分钟就能完成的计算，最快超级计算机需要10的25次方年才能完成。这是一个后面跟着25个零的1，或者说是一个远远超过宇宙年龄的时间尺度。这一结果突显了在某些应用中经典计算和量子计算之间指数级增长的差距。
让我们谈谈我们在Google Quantum AI开创的使这些成就成为可能的硬件方法。我们的可调谐量子比特和耦合器能够实现超快的门和操作以实现低错误率，可重构性以原位优化硬件并运行多个应用程序，以及高连接性以有效地表达算法。我们利用这种可调谐性实现了整个设备的可重复高性能。
让我解释一下。超导量子比特的一个挑战是并非所有量子比特都是一样的。有些是异常值，具有异常高的错误率。但这就是我们的可调谐量子比特真正发挥作用的地方。我们可以通过重新配置这些异常量子比特使其性能与设备的其余部分保持一致来修复它们。我们可以更进一步，让我们的研究人员利用可调谐性不断开发新的校准策略，通过软件将所有量子比特的错误率降低。
让我们量化一下，并花一分钟时间深入探讨一下量子计算机的技术规格。我们有量子比特的数量。连接性是指每个量子比特与其邻居可以执行的平均交互次数。我们量化了运行同时操作的错误概率，包括单量子比特门、双量子比特门和测量。
相干时间衡量每个量子比特可以保持其信息的时间长度。测量速率指示我们每秒可以运行多少次计算。应用程序性能通过完整的系统基准测试进行评估。Willow在这份完整列表中达到了一个最佳点；它具有大量的量子比特，具有高连接性，并且可以运行各种应用程序。
我们测量了所有操作的低平均错误率，包括多个本征双量子比特门。我们大大增加了T1时间，同时保持非常高的测量速率。Willow的工作性能低于纠错阈值，并且随机线路采样的性能远远超过经典计算机所能达到的水平。
展望未来，凭借Willow，我们将继续朝着构建大规模且有用的纠错量子计算机的道路前进，这将推动科学的边界和对自然的探索。随着未来在制药、电池和聚变能源等领域的商业应用，我们很高兴能够解决未来那些无法用经典方法解决的问题。
参考资料: https://www.youtube.com/watch?v=W7ppd_RY-UE，公开发表于2024-12-09
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