（原标题：谷歌最强量子芯片发布）

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谷歌今天推出了其最新的量子芯片 - Willow（约 100 个量子比特），新芯片同期取得了两项症结配置：打破了所谓的量子纠错阈值，并创下了量子性能联系于经典臆度的新基准；Willow 在五分钟内运行了一项基准测试任务，谷歌示意这需要一千万亿年（1024）的时刻，而 Frontier 直到几周前如故寰宇上最快的超等臆度机。

谷歌很少会源远流长地驳倒这件事，但这家科技巨头在今天的公密告布之前举行了媒体/分析师简报会，谷歌量子东说念主工智能团队的几位知名成员出席了会议，其中包括创始东说念主兼适宜东说念主 Hartmut Neven、研究科学家 Michael Newman、量子硬件总监 Julian Kelly 和总监兼首席运营官 Carina Chou。现时，谷歌量子东说念主工智能团队约有 300 名成员，并有发展策划，在加州大学圣塔芭芭拉分校领有我方的先进制造工场。

这关于谷歌的量子勤奋来说是一个迫切的时刻：

打破QEC 阈值（跟着量子比特数目的增多，失实率责问）是社区永恒追求的主张，而且基本上诠释了构建大型纠错实用量子臆度机是可能的。

该公司还先容了其路子图，磋议了期间主张（诚然不是很详备）和业务里程碑。诚然主要重心是在本世纪末收场纠错量子臆度机容错，但它也在计划近期的应用。

该公司还磋议了其平凡的量子业务策划，其中包括从制造我方的芯片、构建我方的系统到通过云提供量子工作（自关联词然），以及潜在的里面部署策划。

Neven异常提到了量子纠错责任，他示意：“Willow 所取得的配置标明，跟着代码距离从 3 增多到 5 再增多到 7，每次失实率齐会减半，骨子上失实率呈指数级责问，我以为通盘这个词社区齐松了相连，因为这标明量子纠错在实践中如实不错阐述作用。”

“现在你仍是掌抓了构建模块，险些不错膨胀到大型机器，通盘路子图齐已于 2020 年发布。需要提神的少许是，咱们基本上按照缱绻进行追踪。大型里程碑六号机器将在本世纪末控制出现，”他说。

Willow Snapshot –

专为可膨胀性而构建

量子硬件总监 Kelly 示意：“要是你熟谙 Sycamore（谷歌早期的 QPU），那么你不错认为 Willow 基本上剿袭了 Sycamore 的通盘优点，只是现在量子比特更好，数目更多。咱们认为这是迄今为止建造的最好的量子臆度机。该架构看起来像一个超导传输量子比特的方形网格，带有可调量子比特和耦合器。这个网格中有 105 个量子比特，平均结合数约为三位半，而开拓里面经常有四向结合。

“在性能方面，迫切的是，咱们仍是好像将量子比特干系时刻（t1 值）进步五倍，从 20 微秒进步到 100 微秒。清爽这少许终点迫切，因为上一代芯片 Sycamore 仍是收场了通盘这些惊东说念主的配置，但咱们正在打破干系时刻设定的性能上限。咱们大大鼓励了这一进度，并给了咱们很大的喘气空间，咱们立即看到，咱们的 Sycamore 开拓的失实率责问了约莫两倍，这些芯片异常符合纠错，因此不错膨胀并应用于有效的应用。”

谷歌险些莫得骄气它将若何膨胀到终点大的系统。

在问答关节中，当被问及蚁集期间时，Kelly 说：“咱们和顺的是起初进步量子比特的质料，然后制造更大的单片芯片，稍后再将它们结合在沿路，而不是像现在这么先经受现时的芯片尺寸，然后尝试将它们结合起来。咱们认为咱们的方法很有上风，因为它允许每个芯片领有多个逻辑量子比特。在纠错方面也有一些上风，但本钱若何呢？是以咱们现时的重心基本上是让量子比特变得终点好，让芯片变得更大，以便好像承载许多物理量子比特，并最终承载多个逻辑量子比特，然后将它们结合在沿路。是以咱们对此（蚁集）终点感兴味，但今天咱们不会共享任何干联信息。”

量子至上

您可能还谨记 2019 年谷歌声称收场量子霸权（量子臆度机好像践诺超出传统系统现实智力的任务）引发的颠簸（参见 HPCwire报说念）。IBM 和其他公司对这一说法忽视了一些质疑。Neven 花了少许时刻再行凝视这场争论。

“要是您和顺量子臆度，尤其是咱们团队的责任，您会发现咱们在 2019 年创造了臆度机科学历史，初次展示了在 Google 的 Sycamore 量子芯片 上只需几分钟就能完成的臆度，而其时最快的超等臆度机（Summit，ORNL）使用最好的经典软件，需要 10,000 年才能运行该基准。但是咱们称这种基准为速即电路采样 (RCS)，现在它已在该领域得到平凡应用，并已成为某种圭表，”Neven 说说念。

“当咱们在 2019 年发布这一恶果时，经典臆度和量子臆度之间出现了一些红蓝队动态，东说念主们说，哦，与其花宽绰时刻，不如使用宽绰内存，或者，嘿，你不错使用我最近最可爱的量子模拟算法。诚然这些说法在原则上是正确的，但在实践中，需要好多年才能将 10,000 年的时刻裁减。但与此同期，咱们的处理器越来越好，要是你链接在最新最好的芯片上运行速即电路采样，这意味着你现在不错使用更多的量子比特和更多的门操作，那么模拟或在经典机器上运行沟通臆度的时刻将以双指数速率激增，这真的一个令东说念主难以置信的快速轨迹。这即是为什么咱们从 2019 年的 10,000 年裁减到现在，到 2024 年裁减到 10 的 10 次方年，”他说。

谷歌和 IBM 均竭力于超导量子比特的研究，他们无限的围栏无疑将鼓励这项期间的发展，造福通盘东说念主。

打破 QEC 门槛

展示打破 QEC 门槛的智力如实是今日最大的新闻。收场这少许需要芯片自己的好多当先，因为谷歌从 Sycamore 系列发展到 Willow 系列。高失实率（尤其是在超导量子比特中）迄今为止收尾了它们的实用性。

谷歌研究科学家 Michael Newman 解释说念：“量子信息极其脆弱。从微不雅材料弱势到电离放射再到天地射线，许多身分齐可能防碍量子信息。横祸的是，为了实施这些远景光明的大范围量子算法，咱们未必需要可靠田主管这些信息数十亿甚而数万亿个设施，而经常情况下，咱们会看到 1/1000 或 1/10,000 的失败率，因此咱们需要咱们的量子比特险些完整，而仅靠工程期间无法收场这一主张。”

制造近乎完整的量子比特的方法是 量子纠错。因此，基本想路是，你把许多物理量子比特放在沿路，让它们共同代表一个逻辑量子比特。物理量子比特共同改良失实，但愿跟着这些集合越来越大，纠错也越来越多。问题是，跟着这些东西越来越大，出错的契机也越来越多。

“早在 90 年代，东说念主们就初次忽视，要是你的量子比特弥散好，要是它们通过了某种神奇的界限，即量子舛错校正阈值，”Newman说。“那么当你把东西作念得更大，当你把这些分组作念得更大时，失实率不会像你预期的那样飞腾。它现实上会下落。到现时为止，还莫得东说念主作念到这少许。是以在 12 月 9 日，咱们将在《天然》杂志上发表恶果，标明使用 Willow 处理器，咱们终于低于这个阈值。更具体地说，跟着 Willow 在这些分组中使用更多的量子比特，失实会以指数级的速率被禁绝，”Newman说。

“这里有一张图（底下的幻灯片），展示了这些逻辑分组的时势，这些逻辑量子位，咱们称之为名义代码。最左边是客岁的 Sycamore 处理器，失实率为 10 的负 2 次方。您看到的红色和蓝色光点是检测失实。这即是失实发生的原因。现在有了 Willow，咱们现在看到的失实率在物理上进步了约莫两倍。是以咱们的量子位和咱们的操作进步了两倍，但咱们的逻辑操作是编码的量子位，它们现实上进步了一个数目级以上。这是因为一朝特殊这个症结阈值，处理器中的小编削就和会过量子纠错成倍放大。因此，当您从左向右挪动时，每次量子位数和芯片性能齐会大致翻倍。在哈特穆特提到的里程碑配景下，要是咱们再迈出一步，咱们就能到达咱们的第三个里程碑，那即是咱们的长命命逻辑量子比特。”

通盘这个词行业齐存在争论，即到底几许个物理量子比特才符合造成遒劲的逻辑量子比特。

在问答关节，Newman示意：“我认为，宽绰的认识是，为了收场这些真耿直范围的应用，举例里程碑六级（路子图）级别的性能，咱们将需要每个逻辑量子比特约莫 1000 个物理量子比特。但咱们在算法和表面方面作念了宽绰研究，恶果标明，咱们可能只需要几百个量子比特，我认为情况大致如斯。它可能不可幸免地需要每个逻辑量子比特约莫几百个量子比特。因此，要是咱们的主张是构建一台百万物理量子比特的量子臆度机，那么将其除以几百，这即是咱们展望届时将领有的逻辑量子比特数目。但我认为人人对此意见不一。”

天然，有许多公司正在勤奋开发逻辑量子比特。举例，微软和 Quantinuum 最近论说了一种用于构建逻辑量子比特的搀杂经典量子方法。

量子现在很有效

尽管谷歌专注于提供容错量子臆度，但它也指出了仍是在量子处理器上完成的责任（底下的幻灯片）。

Chou说：“我想强调这少许。咱们建造量子臆度机并不是因为它真的具有挑战性，或者因为它是一个意旨的科学名目。通盘这些齐是事实，但咱们真的想获取新功能，而这些功能要是莫得量子臆度就不可能收场。现在的量子处理器，甚而是上一代的量子处理器，如 Sycamore，仍是用于数十项科学发现。您不错在屏幕上看到其中一些的快照，但还有许多其他的。”

“但是，有一个迫切的挑战需要提神，对吧？迄今为止，量子处理器上取得的每一项发现诚然令东说念主欣喜，但也不错使用不同的传统臆度器具来完成。因此，咱们濒临的下一个挑战是，咱们能否在具有现实影响的应用设施上展示超越传统性能的性能，即在传统臆度机上不可能收场的性能，”她说。

“咱们终点有兴味提供量子臆度工作，以处罚传统臆度机无法处罚的现实问题。因此，需要强调的是，现在的量子臆度工作齐无法提供这种工作，咱们的方法专注于确实处罚最穷苦的期间问题，而不是平直跳到膨胀或生意家具。话虽如斯，咱们如实与有限数目的外部合营者竖立了早期合营伙伴关系，这些合营者既来自学术界，也来自初创公司，也来怡悦公司，以确实匡助开发量子臆度系统。望望哪些类型的应用设施会很有效，”她说。

“就 插足市集 模式而言，有好多。咱们计划的最彰着的一种是通过云提供走访。这是咱们现时正在研究的事情。除此除外，我认为笃信有契机复古在 Google 运行的责任，以及可能在更大、终点具体的土产货或其他类型的模子中运行，因此这些尚待笃定，但咱们现时正在研究云。”

Neven 很快补充说念：“Willow 芯片是一款出色的硬件，它领有浩大的原始臆度智力。因此，咱们自利自为地想要诠释，有了这么的平台，你也许好像开发出有效的算法。这不是本次新闻圆桌会议的磋议话题，但咱们持保属意见，并期待来岁咱们能取得进展。”

了解 Willow，谷歌起初进的量子芯片

今天，我很欢娱秘书推出咱们最新的量子芯片 Willow。Willow 在多名主张上齐领有一流的性能，并取得了两项首要配置。

起初，跟着咱们使用更多的量子比特，Willow 不错成倍地减少失实。这处罚了该领域近 30 年来一直在研究的量子纠错的症结挑战。

其次，Willow 在不到五分钟的时刻内完成了一个圭表基准臆度，而现在最快的超等臆度机之一则需要10 的 16 次方（即 10 25）年才能完成这项臆度，这个数字远远特殊了天地的年岁。

Willow 芯片是 10 多年前开动的旅程中的迫切一步。2012 年，我创立 Google Quantum AI 时，愿景是构建一台实用的大型量子臆度机，诓骗量子力学（咱们今天所知的天然界的“操作系统”）鼓励科学发现、开发有效的应用设施和处罚一些社会最大挑战，从而造福社会。四肢 Google Research 的一部分，咱们的团队仍是制定了永恒路子图，而 Willow 则鼓励咱们朝着生意关联应用的标的迈进。

指数目子舛错校正——低于阈值！

失实是量子臆度濒临的最大挑战之一，因为量子比特（量子臆度机中的臆度单元）往往会与周围环境快速交换信息，因此很难保护完成臆度所需的信息。经常，使用的量子比特越多，失实就会越多，系统就会变得像经典系协调样。

今天，咱们在《天然》杂志上发表了研究恶果，恶果标明，Willow 中使用的量子比特越多， 失实减少得就越多，系统就越量子化。咱们测试了越来越大的物理量子比特阵列，从 3x3 编码量子比特网格膨胀到 5x5 网格，再到 7x7 网格——每一次，诓骗咱们在量子纠错方面的最新进展，咱们齐好像将失实率责问一半。换句话说，咱们收场了失实率的指数级责问。这一历史性配置在业界被称为“低于阈值”——好像在增多量子比特数目的同期责问失实。必须诠释低于阈值才能诠释在纠错方面取得了确实的进展，自1995 年 Peter Shor 引入量子纠错以来，这一直是一项用功的挑战。

这一恶果还涉过火他科学“第一”。举例，它亦然超导量子系统及时纠错的首批引东说念主留心的例子之一——这关于任何有效的臆度齐至关迫切，因为要是你弗成弥散快地改良失实，它们会在你完成臆度之前烧毁它。这是一个“超越盈亏均衡”的演示，咱们的量子比特阵列比单个物理量子比特的寿命更长，这是一个拦阻置疑的迹象，标明纠错正在改善通盘这个词系统。

四肢首个低于阈值的系统，这是迄今为止构建的可膨胀逻辑量子比特最令东说念主信服的原型。这有劲地标明，实用的超大型量子臆度机如实不错构建。Willow 让咱们更接近运行传统臆度机上无法复制的实用、生意关联算法。

在现在最快的超等臆度机之一上完成 10 千万亿年。

为了估量 Willow 的性能，咱们使用了速即电路采样 (RCS) 基准。RCS 由咱们的团队创举，现已被平凡用作该领域的圭表，是现在量子臆度机上不错完成的最难的传统基准。你不错将其视为量子臆度的切入点——它查验量子臆度机是否在作念一些传统臆度机上无法完成的事情。任何构建量子臆度机的团队齐应该起初查验它是否不错在 RCS 上打败传统臆度机；不然，咱们有充分的事理怀疑它能否处理更复杂的量子任务。咱们一直使用这个基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展——咱们在2019 年 10 月论说了 Sycamore 的恶果，最近在2024 年 10 月再次论说了该恶果。

Willow 在这项基准测试中的推崇令东说念主惊羡：它在不到五分钟的时刻内完成了一项臆度，而现在最快的超等臆度机之一需要10 25或 10 的 10 次方年才能完成这项臆度。要是要写出来，则是 10,000,000,000,000,000,000,000,000 年。这个令东说念主难以置信的数字超出了物理学中已知的时刻圭表，远远特殊了天地的年岁。它阐述了量子臆度发生在许多平行天地中的不雅点，这与 David Deutsch 初次忽视的咱们活命在多元天地中的不雅点一致。

如下图所示，Willow 的最新恶果是咱们迄今为止最好的，但咱们会链接取得进展。

咱们对 Willow 若何超越寰宇上最遒劲的经典超等臆度机之一Frontier的评估是基于保守的假定。举例，咱们假定不错实足走访二级存储（即硬盘），而无需任何带宽支拨——这对 Frontier 来说是一个激昂而不切现实的假定。天然，正如咱们在2019 年秘书初次超越经典臆度后发生的那样，咱们展望经典臆度机将在这个基准上链接编削，但飞速扩大的差距标明，量子处理器正以双倍指数的速率赶超经典臆度机，而且跟着咱们扩大范围，其性能将链接远远特殊经典臆度机。

一流的性能

Willow 是在咱们位于圣巴巴拉的全新先进制造工场中制造的，这是全球为数未几为此目的而从新开动建造的工场之一。系统工程是假想和制造量子芯片的症结：芯片的通盘组件，举例单量子比特门和双量子比特门、量子比特复位和读出，齐必须同期经过经心假想和集成。要是任何组件滞后或两个组件弗成很好地协同责任，就会累赘系统性能。因此，最大化系统性能结合于咱们经过的各个方面，从芯片架构和制造到门开发和校准。咱们论说的成即是合座评估量子臆度系统，而不是一次只评估一个身分。

咱们着重质料，而不单是是数目——因为要是质料不够高，只是分娩宽绰量子比特也船到急时抱佛脚迟。Willow 领有 105 个量子比特，在上述两个系统基准测试中均领有一流的性能：量子纠错和速即电路采样。此类算法基准测试是估量芯片合座性能的最好方式。其他更具体的性能主张也很迫切；举例，咱们的 T 1时刻（测量量子比特不错保留激励的时刻瑕瑜——症结的量子臆度资源）现在接近 100 μs（微秒）。与咱们上一代芯片比拟，这是一个令东说念主印象真切的约 5 倍的编削。要是您想评估量子硬件并跨平台比较，以下是症结规格表：

Willow 的改日发展

该领域的下一个挑战是展示现在量子芯片上第一个“有效的、超越经典”的臆度，该臆度与现实应用关联。咱们乐不雅地认为 Willow 一代芯片不错匡助咱们收场这一主张。到现时为止，仍是进行了两种不同类型的实验。一方面，咱们运行了 RCS 基准测试，该基准测试估量了与传统臆度机的性能，但莫得已知的现实应用。另一方面，咱们对量子系统进行了科学上意旨的模拟，这导致了新的科学发现，但仍在传统臆度机的范围内。咱们的主张是同期完成这两件事——插足传统臆度机无法企及的算法领域，这些算法对现实寰宇的生意关联问题有效。

我的共事未必会问我，为什么离开昌盛发展的东说念主工智能领域，转而专注于量子臆度。我的回话是，这两项期间齐将被诠释是咱们这个时期最具变革性的期间，但先进的东说念主工智能将从量子臆度中受益良多。这即是我将咱们的实验室定名为量子东说念主工智能的原因。量子算法具有基本的缩放定律，就像咱们在 RCS 中看到的那样。许多对东说念主工智能至关迫切的基础臆度任务也具有访佛的缩放上风。因此，量子臆度关于网罗传统机器无法走访的考验数据、考验和优化某些学习架构以及对量子效应很迫切的系统进行建模将是必不可少的。这包括匡助咱们发现新药、为电动汽车假想更高效的电板，以及加快核聚变和新动力替代品的进展。许多改日改变游戏章程的应用设施中在传统臆度机上是行欠亨的；它们正恭候量子臆度来解锁。

https://www.hpcwire.com/2024/12/09/google-debuts-new-quantum-chip-error-correction-breakthrough-and-roadmap-details/

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