谷歌宣佈取得量子計算重大突破，5分鐘就能完成目前超級計算機需要10億億億年才能完成的任務，這項研究已發表在12月9日頂刊《自然》雜誌上，人類距實用量子計算機可能又近了一大步。
10億億億年計算任務，5分鐘搞定：量子計算機打破時間界限
這項突破來自最新量子計算晶片“Willow”，在標準基準計算測試中，它僅僅用了5分鐘，就完成了目前最快的超級計算機需要花10^25年才能完成的任務，甚至遠遠長於宇宙的年齡，可以說完全突破了我們對計算的認知界限。
這一突破不僅僅是一個數字遊戲，它意味著我們進入了一個全新的計算時代——一個可能讓傳統超級計算機“退役”的時代。谷歌的“Willow”晶片，可能正是這場革命的先鋒。
量子計算：突破“糾錯”，解鎖真正的“量子世界”
要理解這個突破的意義，我們必須先聊聊“量子糾錯”這個問題。量子計算與傳統計算最大的區別之一，是量子位元（qubit）的“脆弱性”。量子位元很容易受到外部環境的干擾，導致計算結果出錯。這個問題，早在量子計算誕生時就成了技術壁壘。
而谷歌的“Willow”晶片，正是跨越了這一障礙。透過最新的量子糾錯技術，隨著量子位元數量的增加，錯誤的發生率竟然能呈指數級減少，這和其他量子計算機剛好相反！這意味著量子計算機不僅能保持“量子”狀態，還能隨著規模的擴大變得更加穩定。這一技術突破，已經讓我們看到了量子計算“從實驗室走向現實”的曙光。
更重要的是，谷歌的“Willow”晶片是首個實現“下限閾值（below threshold）”的量子計算原型——也就是，在增加量子位元的同時，錯誤反而減少的奇蹟。這一成就代表著量子計算正式跨入實用化的前沿。
超越常規，量子計算的潛力究竟有多大？
我們常常聽到“量子計算將改變世界”的說法，但到底有多大影響呢？如果你曾經對量子計算的巨大潛力感到疑惑，那麼“Willow”晶片的最新表現，足以為你提供一個清晰的答案。
谷歌使用量子計算的隨機電路取樣（RCS）基準測試，來展示“Willow”晶片的能力。這一基準測試，是當前量子計算的最難挑戰之一。它的目的是驗證量子計算機能否做出任何傳統計算機無法完成的任務。而“Willow”在這個測試中，僅用不到五分鐘就完成了一個經典超級計算機需要10^25年的任務！這意味著，量子計算的計算速度，已經遠遠超越了我們現有的計算能力。
這一突破不僅僅是一個“數字遊戲”——它證明了量子計算能夠在一些經典計算無法處理的複雜問題上，提供快速解決方案。無論是藥物研發、能源最佳化，還是AI領域的巨大挑戰，量子計算都將為這些領域帶來前所未有的加速。
從理論到現實，谷歌的量子計算十年之路
很多人可能會想，量子計算離我們有多遠？它真的能實現商業化嗎？事實是，谷歌從2012年成立量子AI實驗室以來，已經走過了十年的漫長道路。而“Willow”晶片的問世，標誌著量子計算從實驗室的理論構想到商業化應用，邁出了至關重要的一步。
谷歌團隊在最新的“Willow”晶片中，使用了105個量子位元，效能穩步提升。從晶片架構到錯誤修正技術，從物理層面的量子位元設計到系統級的綜合調控，谷歌的每一步都在推動量子計算朝著更加實用、更加穩定的方向發展。而這一切，只是量子計算商業化程序中的第一步。
量子計算，未來會怎樣影響我們的生活？
那麼，量子計算到底能如何改變我們的未來？雖然量子計算的全面普及還需要一些時間，但我們可以預見，隨著技術的不斷突破，它將進入更多現實應用的場景：
AI領域：量子計算將極大提高機器學習的效率，加速訓練AI模型，處理複雜的資料集。
藥物研發：量子計算能夠模擬分子結構，幫助我們設計出更高效的藥物，推動醫學進步。
能源行業：量子計算有助於解決能源傳輸、儲存等問題，加速新能源技術的研發。
化學與材料科學：量子計算將幫助我們探索新的化學反應路徑，發明更強大、耐用的新材料。
這些都只是量子計算可能改變的一部分領域。未來，我們甚至可能看到量子計算幫助我們解決那些當前計算機無法觸及的深刻問題。
目前的挑戰與不足：量子計算的遠大理想，還需要多少物理量子位元？
儘管谷歌的“Willow”晶片展示了令人震驚的效能，但它也並非完美無缺。比如，當前的量子計算依然面臨著巨大的技術瓶頸，**“Willow”**需要使用 1457個物理量子位元 來實現其理論上的計算任務。這與實際應用中的需求仍有較大的差距，因為每增加一個物理量子位元，系統的複雜性和錯誤率都會成倍增加。
另外，儘管量子糾錯技術取得了突破，但錯誤率仍然是量子計算的主要挑戰。為了確保量子計算機能夠進行長時間的穩定計算，依然需要進一步提升糾錯的效率和精度。而目前量子計算的穩定性和可操作性在實際部署中仍然受限。
在實際應用中，“Willow”雖然已經能夠執行一些經典計算機無法完成的任務，但它的商業化應用仍處於初期階段。許多量子計算的前沿技術仍處於實驗室研究階段，離廣泛應用還有一段距離。為了讓量子計算進入實際生活，如何降低硬體成本、提高量子位元的可靠性，並解決量子計算機的“噪聲”問題，依然是當前的挑戰。
量子計算的未來，仍需跨越多個障礙
儘管“Willow”晶片已經在量子計算的技術道路上邁出了巨大的步伐，但量子計算的“完美實現”依然遙不可及。我們需要更多的技術突破、更高效的錯誤修正方法和更加穩定的硬體，才能真正實現量子計算在商業和日常生活中的廣泛應用。
然而，正如科學家們所說，最偉大的技術進步往往是從最困難的挑戰中誕生的。量子計算的未來，依然值得期待。
參考文獻：
Google Quantum AI and Collaborators. Quantum error correction below the surface code threshold. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
Hartmut Neven, "Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip," Google Quantum AI, Dec 09, 2024.
Peter Shor, "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer," SIAM Journal on Computing, 1994.
