驚到馬斯克和阿爾特曼，谷歌量子計算芯片有多強

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算芯片Willow帶來的“魔力”。

12月10日，谷歌通過官方博客宣布，其最新的量子計算芯片Willow取得兩項重大進展：

-Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯誤，破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰。

-Willow可以在不到5分鐘內完成一項標準基準計算，而當今最快的超級計算機要完成這一計算需要102?年，什么概念呢？就是10000000000000000000000000年，10億億億年——這一時間比宇宙的年齡還長。

“量子霸權”指量子計算機可以做到傳統計算機實現不了的事。谷歌的“量子霸權”項目始于2006年，最初專注于量子計算軟件的研究。

2014年，谷歌與加州大學圣塔芭芭拉分校教授約翰·馬丁尼斯團隊合作，開始研究量子計算硬件。

2019年，谷歌Sycamore處理器通過運行一個復雜的隨機量子電路，僅用200秒就完成了傳統超級計算機Summit需要約10000年才能完成的任務。這一突破讓谷歌正式宣布“量子霸權”實現，即量子計算機在某個特定問題上的計算能力超過了傳統計算機。

如今，五年過后，谷歌再次在量子計算領域取得里程碑式進步，并引發了全球科技界大佬們的歡呼。

馬斯克在社交媒體對谷歌量子計算的進展留言：“哇塞！”，并和谷歌CEO桑德·皮查伊進行了熱烈的互動；Open AI首席執行官山姆·阿爾特曼也轉發了皮查伊的推文，并留言“熱烈祝賀”。

谷歌在量子計算領域的重要進展，同樣引發了投資人的熱情。

美國時間12月10日，谷歌A類股收高5.59%，創7月中旬以來新高，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，谷歌市值2.28萬億美元。

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一步步走來的量子計算

從古人結繩、壘石、刻字，到算盤的使用，再到17世紀機械計算器的發明，以及當今的電子計算機時代，人類計算的發展史已走過數千年。

20世紀80年代，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出構想，基于作為量子特性的量子疊加和量子糾纏構建量子計算，開啟了人們對量子計算的興趣。

和傳統計算機使用二進制數字，即比特，1或0相比，量子計算中的基本單位是量子比特，以量子態表示和存儲信息，量子態是0和1的混合。

量子比特具有量子力學的獨特屬性，如疊加性和量子糾纏等。這些獨特屬性是量子計算機優越性能的物理根源，使得量子計算在某些特定任務上具有超越經典計算的能力。

由于量子計算理論上的運算能力將有幾何級數的增長，而且可以將某些在電子計算機上難解的問題變換為可解的問題。科學家們憧憬，量子計算機有望成為下一代信息革命的關鍵動力。

1994年，量子計算首次得到實際應用。數學家彼得·肖爾提出了能有效分解大數的量子算法，威脅現有加密技術，促使了后量子加密的發展。

四年之后，IBM研究員Isaac Chuang團隊首次在兩量子比特系統上實現了Grover算法，之后在七量子比特系統上實現了Shor算法。

2011年，加拿大公司D-Wave發布了全球首款商用量子計算機，雖非通用型，但標志著量子計算行業的起步。

再有就是前文提到的，2019年10月，谷歌利用53個量子比特在200秒內完成了傳統超級計算機需1萬年才能完成的計算，標志著“量子霸權”的首次實現。

當時，IBM曾提出過質疑。但更多的科技人士把谷歌的階段性實驗成果比喻為萊特兄弟的首飛，雖然當時的飛行器非常簡陋，飛行只持續了12秒，但卻預示了一個新技術時代即將到來的曙光。

在過去40多年中，量子計算雖然有所發展，但也面臨著最棘手的幾個問題——錯誤率高、不確定性強等。

這一次，谷歌量子芯片Willow僅4平方厘米大小，內含105個物理量子比特，比其前身Sycamore量子處理器的72個量子比特多了32個，從而達成了兩個重要成就。

其中一個成就就是糾錯。從理論上來看，在一個系統中使用的量子比特越多，錯誤就會越多。但沒有高效的糾錯機制，量子計算就無法投入實際應用。

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

終于，在近30年的研究后，谷歌Willow芯片證實可以成倍地減少計算錯誤，從而解決了“量子糾錯閾值”的關鍵挑戰。

Willow的另一個成就，就是前文提到過的，它展示了無法想象的計算能力——在不到5分鐘的時間內完成了一個標準的基準計算。

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巨頭的游戲

谷歌最新的量子芯片Willow是在其位于美國圣巴巴拉的先進量子芯片制造工廠生產的，這是世界上為數不多的為量子計算芯片建造的工廠之一。

在整個量子計算世界，谷歌的巨頭地位毋庸置疑。而除了谷歌，面對這個最具革命性、夠顛覆傳統的計算方式，沒有哪個巨頭甘于錯過。它們紛紛加入這場激烈的競賽，爭奪量子計算的話語權。

作為現代計算不可繞過的一家企業，“藍色巨人”也是全球最早布局量子計算的公司之一。深耕超導量子計算機的同時，IBM在軟件、云平臺、應用、教育等賽道均有涉足，開創了量子計算歷史上的多個“首次”。

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

這兩家公司關注的重點領域是使用“IBM Q”來研究財務數據、物流和風險。IBM更是表示，五年內將量子計算機商業化。

芯片巨頭英特爾也很早就在量子計算領域布局。2015年9月，英特爾向代爾夫特理工大學量子研究所QuTech和荷蘭應用研究組織承諾投入5000萬美元，為十年的合作提供支持。

2018年CES上，英特爾宣布它已經構建了一個名為Tangle Lake的49比特量子超導芯片。2019年3月，英特爾宣布了一種量子計算機測試工具。

完美在云計算時代打了翻身仗的微軟乘勝追擊，在2011年12月成立了QuArC小組，專注于設計用于可擴展，容錯高的量子計算機的軟件架構和算法。2017年底，微軟宣布推出量子開發套件。今年5月，微軟表示其量子開發套件已被下載100000次。

最新加入量子計算戰場的是這兩年賺得盆滿缽滿的英偉達。上個月，英偉達在官網宣布，公司正在與谷歌量子AI團隊“Google Quantum AI”合作，幫助后者加速設計下一代量子計算設備。

在中國，2015年7月，阿里巴巴旗下阿里云和中國科學院在上海建立了一個名為阿里巴巴量子計算實驗室的研究機構。2018年2月，阿里云推出了具有11個量子比特的量子計算云服務；百度于2018年3月宣布成立量子計算研究所，重點是量子信息理論和量子計算。

放眼全球，各國也是非常舍得在量子計算領域花錢。

美國超2000億美元預算投入量子計算等關鍵領域；英國在已投入10億英鎊基礎上繼續投入25億英鎊，并引入10億英鎊私人資本；德國投入20億歐元支持量子計算機及相關技術開發，同時投入11億歐元支持量子計算研究和開發，以及8.78億歐元支持實際應用；韓國政府和民間部門決定攜手向量子信息領域投資3萬億韓元，自主研發量子計算機等相關產品和服務。

根據IDC的預測，到2027年，全球量子計算市場規模將達到107億美元，與2017年相比10年內增長超過40倍。

從長遠來看，量子計算隨手可得，人類社會進入量子世界還有一段很長的路要走，但總有一批勇士，不僅埋頭鉆研，也常仰望星空。