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”得了兩項重大成就：

1、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(zhàn)。

2、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10^25（10000000000000000000000000）年的時間，這一時間比宇宙的年齡還長。

谷歌量子 AI 實驗室負責人哈特穆特·內文（Hartmut Neven）稱，“當我在2012年創(chuàng)立谷歌量子人工智能時，我的愿景是建立一個有用的大規(guī)模量子計算機，可以利用量子力學——我們今天所知道的自然界的“操作系統(tǒng)”——通過推進科學發(fā)現(xiàn)、開發(fā)有用的應用程序和應對一些社會最大的挑戰(zhàn)來造福社會。Willow芯片的推出，實現(xiàn)了關鍵的技術突破，使我們朝著商業(yè)相關應用的方向邁出了重要的一步?！?/p>

不過，哈特穆特·內文也承認，能夠實際應用于商業(yè)場景的量子計算機在2030年之前可能不會出現(xiàn)。

△谷歌量子硬件總監(jiān) Julian Kelly 通過視頻介紹 Willow 及其突破性成就

對于谷歌Willow芯片所取得的成就，特斯拉、X、SpaceX CEO馬斯克以及OpenAI CEO山姆·阿爾特曼都表示了祝賀。

馬斯克甚至還積極響應谷歌CEO Sundar Pichai有關要通過SpaceX星艦（Starship）在太空建立一個量子簇（quantum cluster）的計劃，表示這大概真的會發(fā)生。

馬斯克推文指出，人類若自詡高度文明，勢必要走向“卡爾達肖夫指數(shù)II型（Kardashev Type II），當前人類世界仍處于卡爾達肖夫指數(shù)I型，且完成度恐低于5%，為達30%左右的程度，在所有沙漠與高度干旱的地區(qū)鋪置太陽能板是必要的措施，唯有如此，才能因應超級運算所帶來的高耗能，并同時兼顧綠能環(huán)保。

然而，谷歌Willow量子計算芯片的突破，卻嚇壞了眾多比特幣等加密貨幣投資者。

指數(shù)級的提升量子糾錯能力

錯誤是量子計算中最大的挑戰(zhàn)之一，因為量子比特（量子計算機中的計算單位）傾向于與環(huán)境快速交換信息，這使得很難保護完成計算所需的信息。通常，你使用的量子位越多，發(fā)生的錯誤就越多。

然而，Willow量子芯片實現(xiàn)了使用的量子位越多，減少的錯誤就越多，系統(tǒng)可用的量子就越多的驚人成就。

谷歌測試了越來越大的物理量子位陣列，從3x3編碼量子位的網(wǎng)格擴展到5x5的網(wǎng)格，再到7x7的網(wǎng)格。每次的擴展，谷歌都能在量子糾錯方面取得最新進展，即都能將錯誤率減半。

換句話說，谷歌實現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級下降。這一歷史性成就在該領域被稱為“低于閾值”——能夠在減少錯誤的同時擴大量子比特的數(shù)量。你必須證明自己低于閾值，才能在糾錯方面取得真正的進展，自1995年Peter Shor引入量子糾錯以來，這一直是一個突出的挑戰(zhàn)。

這一成就還涉及其他科學“第一”。例如，這也是超導量子系統(tǒng)上實時糾錯的第一個引人注目的例子之一，這對任何有用的計算都至關重要，因為如果你不能足夠快地糾正錯誤，它們會在計算完成之前破壞你的計算結果。這是一個“超越盈虧平衡”的演示，谷歌的量子比特陣列的壽命比單個物理量子比特的壽命更長，這是糾錯正在改善整個系統(tǒng)的一個不可忽視的跡象。

作為第一個低于閾值的系統(tǒng)，這是迄今為止構建的可擴展邏輯量子比特最令人信服的原型。這是一個強有力的跡象，表明確實可以建造有用的、非常大的量子計算機。Willow使我們更接近于運行實用的、商業(yè)上相關的算法，這些算法無法在傳統(tǒng)計算機上復制。

5分鐘完成經(jīng)典超算100億兆年的計算量

作為Willow性能的衡量標準，谷歌使用了隨機電路采樣（RCS）基準。RCS現(xiàn)在也被廣泛用作該領域的標準，是當今量子計算機上可以完成的經(jīng)典的最難的基準。

你可以把這看作是量子計算的切入點——它檢查量子計算機是否在做經(jīng)典計算機無法完成的事情。任何構建量子計算機的團隊都應該首先檢查它是否能在RCS上擊敗經(jīng)典計算機。否則，人們有充分的理由懷疑它能否解決更復雜的量子任務。谷歌一直使用這一基準來評估從一代芯片到下一代芯片的進展。

Willow在這個基準測試中的表現(xiàn)令人驚訝：它在不到五分鐘的時間內完成了一次計算，這將需要當今最快的超級計算機則需要10^25（10000000000000000000000000）年，這個數(shù)字遠遠超過了宇宙的年齡。

如下圖所示，Willow的這些最新測試結果是也迄今為止表現(xiàn)最好的，谷歌表示還將會繼續(xù)取得進展。

△計算成本深受可用內存的影響。因此，谷歌的估計考慮了一系列場景，從具有無限內存的理想情況（▲）到GPU上更實用、更尷尬的并行化實現(xiàn)（?）。

谷歌對Willow如何超越世界上最強大的經(jīng)典超級計算機之一Frontier的評估是基于保守的假設。例如，可以完全訪問輔助存儲，即硬盤驅動器，而不會產(chǎn)生任何帶寬開銷——這對Frontier來說是一個慷慨而不切實際的允許。當然，正如谷歌在2019年宣布第一個超越經(jīng)典計算之后所發(fā)生的那樣，谷歌預計經(jīng)典計算機將在這個基準上不斷改進，但快速增長的差距表明，量子處理器正在以雙指數(shù)的速度剝離，隨著量子比特數(shù)量的擴大，它將繼續(xù)大大優(yōu)于經(jīng)典計算機。

最先進的量子計算芯片

Willow是在谷歌位于美國圣巴巴拉的最先進的新制造工廠制造的，這是世界上為數(shù)不多的為此目的從頭開始建造的工廠之一。系統(tǒng)工程是設計和制造量子芯片的關鍵：芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、量子比特復位和讀出，都必須同時進行良好的設計和集成。如果任何組件延遲或兩個組件不能很好地協(xié)同工作，則會降低系統(tǒng)性能。

因此，最大化系統(tǒng)性能為谷歌的工藝的各個方面提供了信息，從芯片架構和制造到柵極開發(fā)和校準。谷歌報告的成就是從整體上評估了量子計算系統(tǒng)，而不僅僅是一次評估一個因素。

谷歌更為關注的是質量，而不僅僅是數(shù)量——因為如果量子比特的質量不夠高，僅僅生產(chǎn)更多的量子比特是沒有幫助的。

憑借出色的低錯誤率和105個量子比特，Willow現(xiàn)在在上述兩個系統(tǒng)基準測試中具有同類最佳的性能：量子糾錯和隨機電路采樣。這種算法基準測試是衡量整體芯片性能的最佳方法。

其他更具體的績效指標也很重要；例如，Willow的T1時間（衡量量子比特可以保持激發(fā)多長時間）——關鍵的量子計算資源——現(xiàn)在接近100微秒。這比谷歌上一代量子芯片提高了約5倍，令人印象深刻。

如果你想評估量子硬件并跨平臺進行比較，下面這里有一個關鍵規(guī)格表：

△Willow在多個指標上的表現(xiàn)

谷歌Willow和其量子計算廠商的下一步是什么？

量子計算領域的下一個挑戰(zhàn)，是在當今的量子芯片上展示與現(xiàn)實世界應用相關的第一個“有用的、超越經(jīng)典的”計算。谷歌樂觀地認為，Willow一代芯片可以幫助我們實現(xiàn)這一目標。

到目前為止，已經(jīng)有兩種不同類型的實驗。一方面，谷歌運行了RCS基準測試，該測試針對經(jīng)典計算機衡量性能，但沒有已知的實際應用。另一方面，谷歌對量子系統(tǒng)進行了科學上有趣的模擬，這導致了新的科學發(fā)現(xiàn)，但仍然在經(jīng)典計算機的范圍內。谷歌的目標是同時做到這兩點——進入經(jīng)典計算機無法企及的算法領域，這些算法可用于解決現(xiàn)實世界中與商業(yè)相關的問題。

△隨機電路采樣（RCS）雖然對經(jīng)典計算機來說極具挑戰(zhàn)性，但尚未展示出實際的商業(yè)應用。

谷歌希望邀請研究人員、工程師和開發(fā)人員加入其旅程，查看其開源軟件和教育資源，包括在Coursera上的新課程，開發(fā)人員可以在那里學習量子糾錯的要領，并幫助我們創(chuàng)建可以解決未來問題的算法。

“我的同事有時會問我，為什么我離開了新興的人工智能領域，專注于量子計算。我的答案是，兩者都將被證明是我們這個時代最具變革性的技術，但先進的人工智能將從量子計算中受益匪淺。這就是為什么我把我們的實驗室命名為量子人工智能。量子算法有基本的縮放定律，正如我們在RCS中看到的那樣。對于許多對人工智能至關重要的基礎計算任務來說，也有類似的縮放優(yōu)勢。”

哈特穆特·內文表示：“因此，量子計算對于收集經(jīng)典機器無法訪問的訓練數(shù)據(jù)、訓練和優(yōu)化某些學習架構，以及在量子效應很重要的情況下對系統(tǒng)進行建模都是不可或缺的。這包括幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥，為電動汽車設計更高效的電池，以及加快聚變和新能源替代品的進展。許多未來改變游戲規(guī)則的應用程序在經(jīng)典計算機上是不可行的。它們正等待著用量子計算解鎖?！?/p>

加密貨幣將被破解？

目前，加密貨幣的安全性依賴于密碼學中的數(shù)學難題，例如橢圓曲線加密和RSA加密。這些算法基于當前計算能力無法在合理時間內被破解的假設。然而，量子計算機的出現(xiàn)顛覆了這種假設。

量子計算機能夠運行一種稱為“Shor算法”的量子算法，該算法專門用于破解基于大數(shù)分解的加密技術。換句話說，廣泛應用于加密貨幣領域的RSA和橢圓曲線加密（ECC）在量子計算機面前可能會變得脆弱不堪，這兩種算法是目前許多數(shù)字資產(chǎn)和在線交易平臺的核心安全機制，保障了用戶信息的安全性。

一旦量子計算機達到足夠的計算能力，它們將能夠快速破解現(xiàn)有的加密貨幣系統(tǒng)，獲取用戶的私鑰并控制其資產(chǎn)。這意味著，一旦量子計算機技術成熟，現(xiàn)有的加密貨幣網(wǎng)絡將面臨崩潰的風險，用戶的資產(chǎn)也將不再安全。

對于谷歌Willow量子計算芯片的突破，一時間也嚇壞了比特幣等加密貨幣投資者。

當日比特幣從10萬美元一度跌到94150美元，最大跌幅6.25%。根據(jù)Coinglass數(shù)據(jù)顯示，過去24小時共有58.3萬人爆倉。除比特幣外，其他加密貨幣也出現(xiàn)大跌，其中多只跌幅超10%。

然而，破解比特幣的加密并非易事。根據(jù)嚴肅的估計，量子計算機需要多達1,500個量子比特連續(xù)工作15到20年才能破解加密貨幣的加密。而目前谷歌Willow 芯片僅有105個量子比特。當然如果谷歌可以將量子比特數(shù)量進一步的擴展，并且使得量子糾錯能力能夠保持現(xiàn)有水平，那么破解加密貨幣可能只是個時間問題。

支付平臺Lightspark首席執(zhí)行官大衛(wèi)·馬庫斯(David Marcus)表示，他認為大多數(shù)人并沒有“完全理解”谷歌這一突破的意義。他稱，這意味著“后量子密碼學和加密技術需要加速發(fā)展”。

以太坊聯(lián)合創(chuàng)始人Vitalik Buterin此前曾表示，即使量子計算獲得突破，加密貨幣通過硬分叉就可以在一定程度上解決這個問題，用戶通過下載新的錢包軟件，可以應對這一問題。但是，對于那些休眠錢包來說，將會面臨巨大威脅。