李添諾｜文

宋辰｜編輯

市值一夜大增1120億美元！

這就是谷歌新一代量子計(jì)算芯片Willow帶來(lái)的“魔力”。

12月10日，谷歌通過(guò)官方博客宣布，其最新的量子計(jì)算芯片Willow取得兩項(xiàng)重大進(jìn)展：

-Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個(gè)物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯(cuò)誤，破解了近30年來(lái)一直在研究的量子糾錯(cuò)挑戰(zhàn)。

-Willow可以在不到5分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算，而當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要完成這一計(jì)算需要102?年，什么概念呢？就是10000000000000000000000000年，10億億億年——這一時(shí)間比宇宙的年齡還長(zhǎng)。

“量子霸權(quán)”指量子計(jì)算機(jī)可以做到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)不了的事。谷歌的“量子霸權(quán)”項(xiàng)目始于2006年，最初專注于量子計(jì)算軟件的研究。

2014年，谷歌與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授約翰·馬丁尼斯團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)始研究量子計(jì)算硬件。

2019年，谷歌Sycamore處理器通過(guò)運(yùn)行一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)量子電路，僅用200秒就完成了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit需要約10000年才能完成的任務(wù)。這一突破讓谷歌正式宣布“量子霸權(quán)”實(shí)現(xiàn)，即量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)特定問(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

如今，五年過(guò)后，谷歌再次在量子計(jì)算領(lǐng)域取得里程碑式進(jìn)步，并引發(fā)了全球科技界大佬們的歡呼。

馬斯克在社交媒體對(duì)谷歌量子計(jì)算的進(jìn)展留言：“哇塞！”，并和谷歌CEO桑德·皮查伊進(jìn)行了熱烈的互動(dòng)；Open AI首席執(zhí)行官山姆·阿爾特曼也轉(zhuǎn)發(fā)了皮查伊的推文，并留言“熱烈祝賀”。

谷歌在量子計(jì)算領(lǐng)域的重要進(jìn)展，同樣引發(fā)了投資人的熱情。

美國(guó)時(shí)間12月10日，谷歌A類股收高5.59%，創(chuàng)7月中旬以來(lái)新高，市值一夜大增1120億美元（約合人民幣8120億元）。截至12月10日收盤(pán)，谷歌市值2.28萬(wàn)億美元。

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一步步走來(lái)的量子計(jì)算

從古人結(jié)繩、壘石、刻字，到算盤(pán)的使用，再到17世紀(jì)機(jī)械計(jì)算器的發(fā)明，以及當(dāng)今的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，人類計(jì)算的發(fā)展史已走過(guò)數(shù)千年。

20世紀(jì)80年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出構(gòu)想，基于作為量子特性的量子疊加和量子糾纏構(gòu)建量子計(jì)算，開(kāi)啟了人們對(duì)量子計(jì)算的興趣。

和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)字，即比特，1或0相比，量子計(jì)算中的基本單位是量子比特，以量子態(tài)表示和存儲(chǔ)信息，量子態(tài)是0和1的混合。

量子比特具有量子力學(xué)的獨(dú)特屬性，如疊加性和量子糾纏等。這些獨(dú)特屬性是量子計(jì)算機(jī)優(yōu)越性能的物理根源，使得量子計(jì)算在某些特定任務(wù)上具有超越經(jīng)典計(jì)算的能力。

由于量子計(jì)算理論上的運(yùn)算能力將有幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)，而且可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上難解的問(wèn)題變換為可解的問(wèn)題。科學(xué)家們憧憬，量子計(jì)算機(jī)有望成為下一代信息革命的關(guān)鍵動(dòng)力。

1994年，量子計(jì)算首次得到實(shí)際應(yīng)用。數(shù)學(xué)家彼得·肖爾提出了能有效分解大數(shù)的量子算法，威脅現(xiàn)有加密技術(shù)，促使了后量子加密的發(fā)展。

四年之后，IBM研究員Isaac Chuang團(tuán)隊(duì)首次在兩量子比特系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了Grover算法，之后在七量子比特系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了Shor算法。

2011年，加拿大公司D-Wave發(fā)布了全球首款商用量子計(jì)算機(jī)，雖非通用型，但標(biāo)志著量子計(jì)算行業(yè)的起步。

再有就是前文提到的，2019年10月，谷歌利用53個(gè)量子比特在200秒內(nèi)完成了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需1萬(wàn)年才能完成的計(jì)算，標(biāo)志著“量子霸權(quán)”的首次實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)時(shí)，IBM曾提出過(guò)質(zhì)疑。但更多的科技人士把谷歌的階段性實(shí)驗(yàn)成果比喻為萊特兄弟的首飛，雖然當(dāng)時(shí)的飛行器非常簡(jiǎn)陋，飛行只持續(xù)了12秒，但卻預(yù)示了一個(gè)新技術(shù)時(shí)代即將到來(lái)的曙光。

在過(guò)去40多年中，量子計(jì)算雖然有所發(fā)展，但也面臨著最棘手的幾個(gè)問(wèn)題——錯(cuò)誤率高、不確定性強(qiáng)等。

這一次，谷歌量子芯片Willow僅4平方厘米大小，內(nèi)含105個(gè)物理量子比特，比其前身Sycamore量子處理器的72個(gè)量子比特多了32個(gè)，從而達(dá)成了兩個(gè)重要成就。

其中一個(gè)成就就是糾錯(cuò)。從理論上來(lái)看，在一個(gè)系統(tǒng)中使用的量子比特越多，錯(cuò)誤就會(huì)越多。但沒(méi)有高效的糾錯(cuò)機(jī)制，量子計(jì)算就無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。

自1995年量子糾錯(cuò)理論被提出以來(lái)，科學(xué)家們一直在為攻克量子計(jì)算中最棘手的難題而努力：如何有效控制量子比特的計(jì)算誤差。

終于，在近30年的研究后，谷歌Willow芯片證實(shí)可以成倍地減少計(jì)算錯(cuò)誤，從而解決了“量子糾錯(cuò)閾值”的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

Willow的另一個(gè)成就，就是前文提到過(guò)的，它展示了無(wú)法想象的計(jì)算能力——在不到5分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)計(jì)算。

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巨頭的游戲

谷歌最新的量子芯片Willow是在其位于美國(guó)圣巴巴拉的先進(jìn)量子芯片制造工廠生產(chǎn)的，這是世界上為數(shù)不多的為量子計(jì)算芯片建造的工廠之一。

在整個(gè)量子計(jì)算世界，谷歌的巨頭地位毋庸置疑。而除了谷歌，面對(duì)這個(gè)最具革命性、夠顛覆傳統(tǒng)的計(jì)算方式，沒(méi)有哪個(gè)巨頭甘于錯(cuò)過(guò)。它們紛紛加入這場(chǎng)激烈的競(jìng)賽，爭(zhēng)奪量子計(jì)算的話語(yǔ)權(quán)。

作為現(xiàn)代計(jì)算不可繞過(guò)的一家企業(yè)，“藍(lán)色巨人”也是全球最早布局量子計(jì)算的公司之一。深耕超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的同時(shí)，IBM在軟件、云平臺(tái)、應(yīng)用、教育等賽道均有涉足，開(kāi)創(chuàng)了量子計(jì)算歷史上的多個(gè)“首次”。

2019年初，IBM推出了一款名為“IBM QSystem One”的20比特量子計(jì)算系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)云端訪問(wèn)該系統(tǒng)，并宣布為埃克森美孚和歐洲核子研究中心提供量子服務(wù)。

這兩家公司關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域是使用“IBM Q”來(lái)研究財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、物流和風(fēng)險(xiǎn)。IBM更是表示，五年內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。

芯片巨頭英特爾也很早就在量子計(jì)算領(lǐng)域布局。2015年9月，英特爾向代爾夫特理工大學(xué)量子研究所QuTech和荷蘭應(yīng)用研究組織承諾投入5000萬(wàn)美元，為十年的合作提供支持。

2018年CES上，英特爾宣布它已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)名為T(mén)angle Lake的49比特量子超導(dǎo)芯片。2019年3月，英特爾宣布了一種量子計(jì)算機(jī)測(cè)試工具。

完美在云計(jì)算時(shí)代打了翻身仗的微軟乘勝追擊，在2011年12月成立了QuArC小組，專注于設(shè)計(jì)用于可擴(kuò)展，容錯(cuò)高的量子計(jì)算機(jī)的軟件架構(gòu)和算法。2017年底，微軟宣布推出量子開(kāi)發(fā)套件。今年5月，微軟表示其量子開(kāi)發(fā)套件已被下載100000次。

最新加入量子計(jì)算戰(zhàn)場(chǎng)的是這兩年賺得盆滿缽滿的英偉達(dá)。上個(gè)月，英偉達(dá)在官網(wǎng)宣布，公司正在與谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)“Google Quantum AI”合作，幫助后者加速設(shè)計(jì)下一代量子計(jì)算設(shè)備。

在中國(guó)，2015年7月，阿里巴巴旗下阿里云和中國(guó)科學(xué)院在上海建立了一個(gè)名為阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的研究機(jī)構(gòu)。2018年2月，阿里云推出了具有11個(gè)量子比特的量子計(jì)算云服務(wù)；百度于2018年3月宣布成立量子計(jì)算研究所，重點(diǎn)是量子信息理論和量子計(jì)算。

放眼全球，各國(guó)也是非常舍得在量子計(jì)算領(lǐng)域花錢(qián)。

美國(guó)超2000億美元預(yù)算投入量子計(jì)算等關(guān)鍵領(lǐng)域；英國(guó)在已投入10億英鎊基礎(chǔ)上繼續(xù)投入25億英鎊，并引入10億英鎊私人資本；德國(guó)投入20億歐元支持量子計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)，同時(shí)投入11億歐元支持量子計(jì)算研究和開(kāi)發(fā)，以及8.78億歐元支持實(shí)際應(yīng)用；韓國(guó)政府和民間部門(mén)決定攜手向量子信息領(lǐng)域投資3萬(wàn)億韓元，自主研發(fā)量子計(jì)算機(jī)等相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)。

根據(jù)IDC的預(yù)測(cè)，到2027年，全球量子計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到107億美元，與2017年相比10年內(nèi)增長(zhǎng)超過(guò)40倍。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，量子計(jì)算隨手可得，人類社會(huì)進(jìn)入量子世界還有一段很長(zhǎng)的路要走，但總有一批勇士，不僅埋頭鉆研，也常仰望星空。