第一財(cái)經(jīng)

2024-12-10 10:23

2019年，谷歌曾在《Nature》發(fā)布了一項(xiàng)量子計(jì)算突破，在世界第一超級(jí)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算1萬(wàn)年的實(shí)驗(yàn)中，谷歌研究的量子計(jì)算機(jī)只用了短短3分20秒。當(dāng)時(shí)，谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊（Sundar Pichai）將此次突破比作“萊特兄弟的首飛”。

12月10日，谷歌在官網(wǎng)發(fā)布了這一量子的最新進(jìn)展，其最新量子芯片Willow在不到5分鐘內(nèi)就完成了一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試任務(wù)，而即使是如今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也需要花費(fèi)“10的25次方”年的時(shí)間才能完成這項(xiàng)計(jì)算，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)超宇宙年齡。

谷歌表示，隨著團(tuán)隊(duì)使用更多的量子位進(jìn)行擴(kuò)展，Willow可以成倍地減少錯(cuò)誤，解決了該領(lǐng)域近 30 年來(lái)一直在研究的量子糾錯(cuò)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路。

谷歌這一研究引起了科技圈的關(guān)注，在X上皮查伊發(fā)文官宣了這項(xiàng)進(jìn)展后，馬斯克在評(píng)論區(qū)回復(fù)“Wow”表示贊嘆，皮查伊隨即表示有朝一日應(yīng)該用SpaceX的星艦在太空里建個(gè)量子集群，馬斯克則回應(yīng)“這很可能會(huì)發(fā)生”。

剛發(fā)布Sora視頻大模型新品的OpenAI CEO阿爾特曼也轉(zhuǎn)發(fā)了谷歌博客表示“大大的祝賀”，皮查伊回復(fù)稱，“多元宇宙未來(lái)的量子+AI即將到來(lái)” 。

在博客中，谷歌量子人工智能創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）提到，最新的量子芯片是向大規(guī)模、糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)邁出的一大步，它的糾錯(cuò)能力和超越經(jīng)典的計(jì)算能力使我們更接近一個(gè)可以提供商業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)，從幫助發(fā)現(xiàn)新藥，到設(shè)計(jì)更高效的電動(dòng)汽車電池，再到加速核聚變和新能源替代的進(jìn)展。許多這些未來(lái)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上是不可行的，它們正等著用量子計(jì)算來(lái)解鎖。

哈特穆特在2012年創(chuàng)立谷歌量子人工智能時(shí)，愿景就是建立一個(gè)有用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，他表示，Willow朝著商業(yè)相關(guān)應(yīng)用的方向邁出了重要的一步。

“我的同事有時(shí)會(huì)問(wèn)我，為什么我離開(kāi)了新興的人工智能領(lǐng)域，專注于量子計(jì)算。我的答案是，兩者都將被證明是我們這個(gè)時(shí)代最具變革性的技術(shù)，但先進(jìn)的人工智能將從量子計(jì)算中受益匪淺。這就是為什么我把我們的實(shí)驗(yàn)室命名為量子人工智能。”哈特穆特表示，量子計(jì)算有基本的縮放定律(Scaling laws)，對(duì)于收集經(jīng)典機(jī)器無(wú)法訪問(wèn)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練和優(yōu)化某些學(xué)習(xí)架構(gòu)，以及在量子效應(yīng)很重要的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模都是不可或缺的。

一直以來(lái)，錯(cuò)誤是量子計(jì)算中最大的挑戰(zhàn)之一，因?yàn)榱孔颖忍兀孔佑?jì)算機(jī)中的計(jì)算單位）傾向于與環(huán)境快速交換信息，這使得其很難保護(hù)完成計(jì)算所需的信息。通常，使用的量子位越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。

谷歌的研究結(jié)果表明，在Willow中使用的量子位越多，減少的錯(cuò)誤就越多，系統(tǒng)的量子就越多?！懊慨?dāng)我們將邏輯量子比特的物理比特陣列從 3x3 增加到 5x5 再到 7x7 時(shí)，錯(cuò)誤率都會(huì)減少兩倍。換句話說(shuō)，我們實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)下降。”這一歷史性成就在該領(lǐng)域被稱為“低于閾值”（ below threshold），能夠在減少錯(cuò)誤的同時(shí)擴(kuò)大量子比特的數(shù)量。

任何一項(xiàng)突破必須證明自己低于閾值，才能在糾錯(cuò)方面取得真正的進(jìn)展，自1995年P(guān)eter Shor引入量子糾錯(cuò)以來(lái)，這一直是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)，該領(lǐng)域已經(jīng)為達(dá)到這一點(diǎn)而努力了30年。

作為Willow性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，谷歌使用了隨機(jī)電路采樣（Random Circuit Sampling，RCS）基準(zhǔn)測(cè)試。這是目前量子計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的最難測(cè)試，也是判斷量子計(jì)算機(jī)是否能執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成任務(wù)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

Willow執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試任務(wù)只需要不到 5分鐘，而今天最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)Frontier（來(lái)自美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）需要“10的25次方”年來(lái)完成，完整寫下來(lái)是10,000,000,000,000,000,000,000,000年。這個(gè)數(shù)字超過(guò)了物理學(xué)中已知的時(shí)間尺度，它凸顯了經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算之間指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的差距。

谷歌提到，這還僅僅是一個(gè)保守假設(shè)，團(tuán)隊(duì)假設(shè)了超級(jí)計(jì)算機(jī)可以完全訪問(wèn)輔助存儲(chǔ)（即硬盤驅(qū)動(dòng)器），且沒(méi)有任何帶寬開(kāi)銷，這對(duì)Frontier來(lái)說(shuō)是一個(gè)可能不切實(shí)際的考慮。

谷歌最新的量子芯片是在其位于美國(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)不多的為此目的從頭開(kāi)始建造的工廠之一。谷歌表示，系統(tǒng)工程是設(shè)計(jì)和制造量子芯片的關(guān)鍵，芯片的所有組件都必須同時(shí)進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和集成。

目前，量子計(jì)算領(lǐng)域的下一個(gè)挑戰(zhàn)是在當(dāng)今的量子芯片上展示與現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用相關(guān)的第一個(gè)“有用的、超越經(jīng)典的”計(jì)算。谷歌樂(lè)觀地認(rèn)為，Willow一代芯片可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

量子計(jì)算自上世紀(jì)80年代被提出以來(lái)，始終是科技界關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的問(wèn)題上。過(guò)去5年來(lái)，不論是谷歌、微軟，還是IBM等大廠，都在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，以解決噪聲、錯(cuò)誤的問(wèn)題。

在媒體交流中，谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)對(duì)包括第一財(cái)經(jīng)在內(nèi)的媒體提到，目前在研究中看到了指數(shù)級(jí)的加速，這意味著量子人工智能與人工智能相比，能更好地解決難題。他們希望在未來(lái)一兩年內(nèi)達(dá)到又一個(gè)里程碑，在本世紀(jì)末擁有一臺(tái)容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，然后繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模。

(本文來(lái)自第一財(cái)經(jīng))