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2024年12月9日，谷歌最新推出量子芯片Willow，在量子计算领域取得重大突破。Willow芯片拥有105个量子比特，在随机电路采样RCS基准测试中表现出色，仅用不到5分钟完成的计算任务，目前最快超级计算机完成同样任务需要天文数字般的10^25年。

Willow不仅在速度上取得胜利，更重要是在量子计算纠错问题，取得决定性技术突破，实现随着量子比特数量增加，误差呈指数级下降。这一成就被认为是量子计算领域近30年来重大进展，为未来在药物发现、核聚变、电池设计等多个领域带来巨大研究潜力。

本期智能前线，选择谷歌量子芯片Willow相关文章与分析，新智元、芯东西、腾讯科技、硬AI发布，六合商业研选精校，分享给大家，Enjoy！

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谷歌Willow量子芯片逆天出世，5分钟颠覆10亿亿亿计算极限

时间：2024年12月10日

来源：新智元

字数：3,868

谷歌团队再创量子计算里程碑，全新量子芯片Willow，仅用不到5分钟就完成当今最强超算，需要天文数字般10^25年的计算。困扰人类近30年量子计算纠错问题，终于被攻克。

这一刻，注定将被载入史册。

今天，谷歌重磅推出全新量子芯片，Willow共105个量子比特，在AI圈掀起海啸级巨震。

在一个标准基准计算任务，Willow用时不到5分钟/300秒神速完成。

如今，世界上最快超算Frontier要完成同样任务，需要10亿亿亿年，也就是10,000,000,000,000,000,000,000,000年。这一天文般的数字，远远超过宇宙年龄138亿年。

Willow不仅仅是速度的胜利，更取得量子计算领域决定性的技术突破，

随着量子比特数量增加，这款芯片的误差，呈指数级下降。这种精度提升的速率，超出一个关键阈值。这意味着，曾困扰量子计算近30年的纠错问题，终于迎来曙光。

谷歌量子团队的最新研究，刊登在今天Nature期刊上。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y。

原本这是OpenAI、谷歌激烈交战的一天，在X呈现一切祥和，Sundar Pichai与Sam Altman开始商业互吹。

Sundar Pichai亲自官宣消息后，Sam Altman第一时间送上祝贺。Sundar Pichai对此回应道，量子+AI的多重宇宙未来将至，也恭喜o1发布。

Sundar Pichai畅想与马斯克星舰联动，有朝一日，我们应该借助Starship在太空中建造一个量子集群。马斯克回应，这很可能实现。

谷歌罕见敞开话匣子，在发布前特意召开媒体说明会。

谷歌量子AI团队，创始人、负责人Hartmut Neven，研究科学家Michael Newman，量子硬件主管Julian Kelly，总监、首席运营官Carina Chou，亲自上阵，足见这项研究的分量。

破解30年重大难题，谷歌再创历史

Willow是在谷歌位于圣巴巴拉的最先进制造设施中生产，这是全球为数不多、为量子芯片量身定制、从零开始建的工厂之一。

量子芯片的设计，不是简单的拼图，所有组件，从单比特门、双比特门到量子比特复位与读出，都需要精密设计与无缝集成，缺一不可。只要一个组件卡壳，整个系统就会掉链子。

Willow目前有105个量子比特，在量子纠错与随机电路采样这两项基准测试中，表现出同类最佳的性能。

Willow的T1时间，量子比特保持激发状态的时间，达到近100微秒，比上一代约提升5倍，这是量子计算的关键资源。

如果想跨平台比较量子硬件性能，以下是一些关键数据。

对谷歌Willow具有划时代意义，它将成为构建有用量子计算的第一步，未来在药物发现、核聚变、电池设计等诸多领域中，带来不可估量的研究潜力。

首次实现低于阈值

为让量子计算更可靠，谷歌将量子比特分组协同工作，实现纠正错误。

每个分组形成一个d×d的量子比特网格，称为表面码，每个表面码代表一个编码的或逻辑量子比特。

随着晶格的增大，系统能容忍的错误更多，理论上逻辑量子比特的保护性与性能都会提高。

随规模增加的表面码逻辑量子比特，每个都能比前一个纠正更多错误；编码的量子状态存储在数据量子比特阵列（黄色）上；测量量子比特（红色、青色、蓝色）用于检测相邻数据量子比特上的错误。

增加晶格，意味着更多出错风险。

如果物理量子比特的错误率过高，额外增加的错误会多过纠正的错误，增加晶格可能拖慢处理器性能。

只有当错误率低到足够程度，错误纠正才能发挥作用，实现指数级的错误率下降，这就是所谓的阈值。低于阈值时，量子错误纠正从有害变为有益。

首先将数据量子比特（金色）初始化为已知状态，重复进行奇偶校验检查，以检测并标记错误（红色、紫色、蓝色、绿色）；最后，测量数据量子比特，并解码测量数据，得到经过错误纠正的逻辑测量结果。

谷歌Willow芯片打破瓶颈：不仅增加量子比特数量，成功减少误差，实现误差率的指数级下降。

在Willow中，随着量子比特从3x3表面码扩展到5x5、7x7，编码错误率每次减少2.14倍，实现误差率指数级下降。

逻辑量子比特性能，随表面码规模扩展而提升：从3×3红色，扩展到5×5蓝绿色，再到7×7蓝色时，逻辑错误概率大幅下降；Willow上7×7逻辑量子比特的寿命，是最佳物理量子比特（绿色）的2倍，同时也是谷歌之前在Sycamore（灰色、黑色）上表面码的20倍。

这个历史性的成就，被领域内称为低于阈值，即在扩展量子比特数量时，能降低误差率，这是量子计算领域追求近30年的里程碑。

1995年提出以来，低于阈值一直被认为是构建大规模量子计算机的关键。

更重要的是，这是首个在超导量子系统中进行实时误差修正的成功案例，这一点对任何有用的计算至关重要，如果无法足够快速修正误差，计算在完成之前就会被破坏。

这是首个超越盈亏点的演示，量子比特阵列的寿命，超越单个比特的寿命。证明量子误差修正有效，正在全面改善系统。

Willow是首个低于阈值的系统，也是最强有力的可扩展量子比特原型，证明超大规模量子计算机真的能造，它让我们离传统计算机无法完成的实用算法更近了一大步。

5分钟计算，世界最快超算用10亿亿亿年

为测试Willow性能，研究团队使用随机电路采样RCS基准测试。

RCS是当前量子计算机上可以完成的计算中最难的基准测试，可以将其视为量子计算的入门测试，它检查量子计算机是否能做一些经典计算机无法做到的事。

Willow在这个基准上的表现令人震惊：它在不到5分钟的时间内完成一个计算，这个计算如果由今天最快的超级计算机Frontier完成，将需要10^25年，也就是10,000,000,000,000,000,000,000,000年。

这个令人难以置信的数字，超出物理学中已知的时间尺度，远超过宇宙年龄。

它支持量子计算发生在多个平行宇宙中的观点，这与我们生活在多元宇宙中的理论相一致，这一预测最早由大卫·德意志提出。

这些最新的Willow结果，是迄今为止取得的最佳成绩，它还将继续进步。

计算成本受可用内存的影响很大，我们估算考虑多种情况，从理想的无限内存环境▲到在GPU上实现的更实际、易于并行化的方案⬤

研究团队对Willow超越经典超级计算机Frontier的评估，建立在保守假设之上，比如假设Frontier拥有无带宽限制的二级存储，这是不现实的理想假设。

经典计算机会继续进步，快速扩大的差距表明，量子计算正以双重指数级速度拉开差距，随规模扩大，量子计算机将继续遥不可及领先。

300多人，12年心血

Hartmut Neven在博客写道：当我在2012年创办谷歌量子AI时，我们愿景是构建一台实用的大规模量子计算机，利用量子力学，我们今天所理解的自然操作系统，来造福社会，推动科学发现、开发有益的应用，解决一些社会面临的重大挑战。

Willow，是长期愿景中关键一步，也是朝商业化量子计算迈进的重要里程碑。

今天，谷歌量子AI团队拥有约300名成员，计划扩展，他们还在加州大学圣巴巴拉分校UCSB建立自己制造设施。

如今，AI与量子计算都将被证明是我们这个时代最具变革性的技术。

特别是，先进的AI技术，将在量子计算支持下取得显著突破，这也是谷歌将实验室命名为Quantum AI的原因。

正如在随机电路采样中所观察到的，量子算法在基本的扩展定律Scaling Law具有显著优势。对很多基础的计算任务，这些扩展优势同样适用，这些任务对AI至关重要。

量子计算将在以下方面不可或缺：

收集经典计算机无法获取的训练数据；

训练与优化某些学习架构；

建模量子效应重要的系统。

具体说，包括帮助我们发现新药物、设计更高效电动车电池、加速聚变与新能源替代品的研究进展。

这些未来改变游戏规则的应用，有很多在经典计算机无法实现，它们都在等待通过量子计算来解锁。

展望未来

一旦突破阈值，设备的小幅改进，将通过量子纠错被指数级放大。

例如，Willow操作保真度大约是Sycamore的2倍，但编码错误率改善大约20倍。

能否构建近乎完美的编码量子比特？

量子错误纠正，现在看起来初见成效，从今天千分之一错误率，到未来所需的万亿分之一错误率，仍然存在巨大差距。

会不会是我们遇到新的物理现象，阻碍我们构建量子计算机的进程？

为回答这个问题，谷歌开发一种重复码。

与保护所有局部量子错误的表面码不同，重复码仅专注比特翻转错误，效率更高。通过运行重复码实验，忽略其他错误类型，谷歌在采用许多与表面码相同的错误纠正原则同时，实现更低编码错误率。

重复码像先行侦察兵，用于验证错误纠正是否能持续降低到最终需要的近乎完美的编码错误率。

在Willow运行重复码时，谷歌能实现约100亿次错误纠正循环而未发现任何错误。当尝试通过进一步增加编码规模来降低编码错误率时，发现错误率停滞不前。

重复码性能随重复码规模扩展而提升：与Sycamore相比，实现10,000倍性能改进，逻辑错误率在每循环约10⁻¹⁰时达到一个瓶颈。

如何提升纠错量子计算机的速度？

与正在使用的经典设备相比，纠错量子计算机的速度非常之慢。

即便是超导量子计算机，目前最快的量子比特技术之一，测量时间也长达约一微秒。相比之下，经典计算的亚纳秒级操作时间快了超过1,000倍。

量子纠错操作更慢，部分原因在于，现在需要依靠量子错误解码器这一经典软件来解释测量结果进而识别错误。

超导量子比特领域，谷歌首次展示能与设备同步实时解码测量信息的能力。即使解码速度能跟上设备，对某些纠错操作，解码器仍可能拖慢整体速度。

目前，谷歌在设备上测得解码延迟时间为50~100微秒，预计这种延迟会随晶格规模增大而进一步增加。这种延迟，可能会显著影响纠错操作的速度。

如果想让量子计算机成为一种能用于科学发现的实用工具，必须对此加以改进。

接下来是什么？

通过量子纠错，我们原则能扩展系统，实现近乎完美的量子计算。

实践中，并不容易，距离构建大规模、容错的量子计算机的目标，有很长的路要走。

逐步改进的处理器上，实现逻辑量子比特，每次升级时物理量子比特的数量翻倍，处理器规模逐渐增大。红色与蓝色方块表示用于检测附近错误的奇偶性检查。这些处理器，分别能可靠执行大约50次、10³次、10⁶次、10¹²次循环。

以当前物理错误率看，要实现相对适中的编码错误率10⁻⁶，我们可能需要每个表面码网格使用超过一千个物理量子比特。

目前，所有这些都是在拥有105个量子比特的处理器上实现的。我们是否能在拥有1,000个量子比特的处理器上实现相同性能？如果是拥有一百万个量子比特的处理器？

面临的工程挑战前所未有，进展令人瞩目。量子纠错所带来的改进是指数级的，2023年以来，谷歌编码性能提升20倍，还需要多少个这样20倍，才能运行大规模的量子算法？或许，答案比我们想象中要少得多。

谷歌最强量子芯片登场，破解30年重大难题，速度超过最快超算，马斯克惊叹

时间：2024年12月10日

来源：芯东西

字数：2,830

纠错功能表明，量子计算机规模越大，准确性越高。

12月10日凌晨，谷歌公布重大突破，最新量子芯片Willow在基准测试取得惊人成绩，不到5分钟完成一项标准计算。

如今最快的超级计算机完成同样任务，足足要花费超过10^25年时间，比宇宙年龄还长。

Willow的突破，可在使用更多量子比特的情况下成倍减少错误，破解近30年来一直在研究的量子纠错挑战。

Sundar Pichai说，Willow是构建有用量子计算机的重要一步，它在药物发现、聚变能、电池设计等领域都有实际应用，我认为大多数人没有完全理解这一突破的重要性。

大卫·马库斯发文强调说，这一突破，意味着后量子密码学与加密技术需要进一步发展。

谷歌量子计算部门首席运营官Charina Chou看来，这一成就意味着到21世纪末，量子计算机能实现甚至最强大的超级计算机都无法实现的科学发现。

谷歌量子AI团队负责人哈特穆特·内文谈道，量子算法有基本的Scaling Law，许多对AI至关重要的基础计算任务，也有类似Scaling优势，量子计算对收集传统机器无法访问的训练数据、训练与优化某些学习架构、对量子效应很重要的系统进行建模将是必不可少的。这包括帮助发现新药、为电动汽车设计更高效的电池、加速核聚变与新能源替代品的进展。

许多未来改变游戏规则的应用程序，在传统计算机上行不通，它们正等待量子计算来解锁。

Willow芯片：105个量子比特，破解30年来重大挑战

错误是量子计算面临最大挑战之一，量子比特往往会与周围环境快速交换信息，很难保护完成计算所需的信息。通常，使用的量子比特越多，错误会越多，系统会变得像经典系统一样。

目前的量子计算机，对大多数商业或科学应用太小、容易出错。

谷歌实验表明，采用正确的纠错技术，量子计算机在规模扩大后，能以越来越高的准确度执行计算，这种改进的速度超过一个关键临界值。

谷歌总部研究科学家迈克尔·纽曼，在宣布这一成就的新闻发布会上说，这是我们30年来的目标。

谷歌量子硬件部门负责人、物理学家朱利安·凯利解释，量子计算机将信息编码为可以表示0或1的状态，也可以采用多个0与1的无限可能组合。

这些量子信息状态非常脆弱，要让量子计算机执行有用的计算，需要量子信息，需要保护它免受环境与操作的影响。

为实现这种保护，没有这种保护，量子计算无法实现，理论家们从1995年开始开发巧妙的方案，将一个量子比特的信息，分散到多个物理量子比特上。由此产生的逻辑量子比特，至少在理论上能抵御噪声。

要使这种称为量子误差校正的技术，在实践中发挥作用，必须证明这种将信息分散到多个量子比特上的方法，能有效降低错误率。

过去几年，IBM、AWS等多家公司与学术团体证明，纠错可以略微提高准确性。

2023年初，谷歌发布一项成果，使用Sycamore量子处理器中49个量子比特，该处理器在超导电路中对每个物理量子比特进行编码。

谷歌新芯片Willow，是更大、改进的版本，有105个物理量子比特，是在谷歌2021年在加州圣巴巴拉量子计算园区建造的制造实验室开发。

系统工程是设计与制造量子芯片的关键：芯片的所有组件，都必须同时经过精心设计与集成。如果任何组件滞后或两个组件不能很好协同工作，会拖累系统性能。

最大化系统性能贯穿全流程，从芯片架构与制造，到门开发与校准。报告的成就，是整体评估量子计算系统，而不是一次只评估一个因素。

谷歌注重质量，不仅是数量。Willow在量子纠错与随机电路采样两个系统基准测试中均拥有一流的性能，此类算法基准测试是衡量芯片整体性能的最佳方式。

其他更具体的性能指标也很重要，例如，T1时间测量量子比特可以保留激发的时间长短，关键的量子计算资源现在接近100µs，相比谷歌上一代芯片相比，实现约5倍改进。

谷歌量子计算部门负责人哈特穆特·内文说，这是量子计算机相对传统计算机优势的最新体现。

将错误率指数级降低，性能远超传统超算

谷歌在Nature发表的研究结果表明，Willow使用的量子比特越多，错误减少越多，系统越量子化。

研究团队测试越来越大的物理量子比特阵列，从3x3编码量子比特网格扩展到5x5，再到7x7，每一次，利用在量子纠错方面最新进展，他们都能将错误率降低一半。

他们实现错误率指数级降低，这一历史性成就，在业界被称为低于临界值below threshold，能在增加量子比特数量同时，降低错误。

必须证明低于临界值，才能证明在纠错方面取得真正进展，1995年Peter Shor引入量子纠错以来，这一直是一项艰巨的挑战。

这一结果还涉及其他科学第一，例如，它是超导量子系统实时纠错的首批引人注目的例子之一。这对任何有用的计算都至关重要，如果不能足够快纠正错误，它们会在完成计算之前毁掉它。

其量子比特阵列比单个物理量子比特的寿命更长，表明纠错正在改善整个系统。

作为首个低于临界值的系统，这是迄今为止构建的可扩展逻辑量子比特最令人信服的原型。

有力表明，实用的超大型量子计算机可以构建。

Willow使之更接近运行传统计算机无法复制的实用、商业相关算法。为衡量Willow性能，研究团队使用首创的随机电路采样 RCS基准，这是当今量子计算机可以完成的最难传统基准。

可以将其视为量子计算的切入点，检查量子计算机是否在做一些传统计算机无法完成的事。任何构建量子计算机的团队，都应该首先检查它是否可以在RCS上击败传统计算机；否则有充分的理由，怀疑它能否处理更复杂的量子任务。

谷歌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，他们在2019年10月报告Sycamore结果，最近在2024年10月再次报告结果。

Willow在这项基准测试中的表现令人惊叹：不到5分钟的时间完成一项计算，当今最快的超级计算机之一需10^25年才能完成。如果要写出来，是10,000,000,000,000,000,000,000,000年。

这个令人难以置信的数字，超出物理学已知的时间尺度，远超宇宙年龄。它证实量子计算发生在许多平行宇宙中观点，这与量子物理学家戴维·多伊奇首次提出的我们生活在多元宇宙中的观点一致。

Willow的最新结果是谷歌迄今为止最好的。

谷歌对Willow如何超越世界上最强大经典超级计算机之一Frontier的评估，是基于保守的假设。

例如，假设可以完全访问二级存储即硬盘，无需任何带宽开销，这对Frontier来说是慷慨、不切实际的假设。

谷歌在2019年宣布首次超越经典计算后发生的那样，他们预计经典计算机将在这个基准上继续改进，迅速扩大的差距表明，量子处理器正以双倍指数的速度赶超经典计算机，随着扩大规模，性能将继续远远超过经典计算机。

结语：向商业应用迈进

2012年，谷歌量子计算AI团队创立时，愿景是构建一台实用的大型量子计算机，利用量子力学推动科学发现、开发有用的应用程序与解决一些社会最大挑战，造福社会。

作为Google Research的一部分，团队制定长期路线图，Willow正推动他们朝商业相关应用方向迈进。

该领域的下一个挑战，是展示当今量子芯片上第一个有用、超越经典的计算，该计算与实际应用相关。

谷歌团队乐观认为Willow一代芯片，可以帮助他们实现这一目标。迄今他们进行两种不同类型的实验，一是运行RCS基准测试，衡量与传统计算机的性能，尚无实际的商业应用；二是对量子系统进行科学上有趣的模拟，推动新的科学发现，仍在传统计算机的范围内。

目标是同时完成这两件事，进入传统计算机无法企及的算法领域，这些算法对现实世界的商业相关问题有用。

谷歌发布跨时代量子芯片Willow，5分钟顶超算10²⁵年

时间：2024年12月10日

来源：腾讯科技

字数：983

Google工程副总裁，量子人工智能实验室负责人Hartmut Neven：为什么选择离开新兴的AI领域而专注于量子计算。我回答是，这两者无疑都是我们这个时代最具变革性的技术，先进的AI将从量子计算中获益匪浅。这正是我将我们的实验室命名为量子AI的原因。

解决近30年的关键挑战

当增加量子比特数量时，Willow 能以指数级方式减少错误率。以前量子比特越多，错误往往越多，谷歌在《Nature》上最新研究成果表明，在 Willow 芯片中使用量子比特越多，系统错误率越低，量子特性越显著。

错误率指数级降低，这一成果攻克量子纠错领域近30年来始终存在的关键难题。

这是自 1995年 Peter Shor 提出量子纠错以来一大里程碑，想要建立实用的量子计算机，必须解决量子比特容易出错的难题，并非易事。

过去几十年研究中，人们提出各种理论与方法来尝试降低量子计算中错误率，受制技术与物理实现上困难，一直难以达到随着量子比特数量增加，错误不断下降的理想状态。

从实验室到现实世界应用

Willow的发布，不仅是一项技术飞跃，更为量子计算的实际应用带来光明前景。

谷歌 CEO Sundar Pichai 在 X 平台发文，将 Willow视为迈向打造实用量子计算机的重要一步。下一阶段，谷歌团队目标是实现有用useful、超经典beyond-classical计算任务，既超越经典计算机能力，又能解决现实问题。

未来潜在应用包括：

加速AI训练：优化复杂数据集处理

新药研发：缩短药物发现周期

新能源技术：设计更高效电池、推动能源创新

清洁能源突破：探索更可持续的能源解决方案

Willow可以破解比特币吗？

量子计算的进步，长期以来被认为可能成为加密行业重大转折点，一旦量子计算机能破解传统加密算法，大量用户资金可能会迅速暴露在风险之下。Willow推出后，不少用户对此提出疑问。

谷歌前高级产品经理 Kevin Rose 发X表示，Willow在量子计算性能方面取得巨大进步，能力仍远不足以威胁加密货币安全性。要破解比特币加密算法，需要一台拥有大约 1,300万个量子比特的量子计算机，在 24 小时内完成解密，Willow芯片只有 105 个量子比特，还有很长的路要走。

曾任Paypal总裁、Lightspark联合创始人、CEO David Marcus发文说，认为大多数人并没有完全理解这一突破的意义 。

被问到Willow对区块链意味着什么后，David回复到，意味着量子密码学与加密技术需要开始采取行动进一步发展，马斯克言简意赅表示同意。

未来已至

Willow问世，展示量子计算无限可能，标志人类在探索计算边界上又一次飞跃。从科学研究到解决现实问题，这项技术正在悄然改变未来的可能性。

或许有一天，量子计算将成为我们日常生活中不可或缺的一部分，Willow是这段历史的起点。

谷歌新出的量子芯片Willow，真的能逆天改命？

时间：2024年12月10日

来源：硬AI

字数：914

Willow在量子纠错与随机电路采样RCS方面，达到同类最佳性能。谷歌认为RCS应作为评判所有量子计算机的指标，IBM、霍尼韦尔等其他科技巨头采用量子体积作为评判标准。Willow芯片的规格表中，没有提到量子体积。

谷歌称霸量子界？

与之前谷歌声称量子计算机Sycamore实现量子霸权不同，谷歌没有宣称Willow实现量子霸权，而是强调在超越经典计算方面的成就。

2019年，谷歌公开亮相上一代量子计算机Sycamore，宣传它仅用200秒完成一项计算，这项计算理论上需要当时世界上最快超级计算机10,000年才能完成。

Willow芯片拥有105个量子比特，这使得它在量子纠错与随机电路采样RCS方面达到同类最佳性能。

一场RCS与量子体积的较量

谷歌试图强调RCS性能，应该是评判所有量子计算机的指标。

谷歌量子AI创始人Hartmut Neven说，这是一个起点，如果你们在随机电路采样上不能取胜，在任何其他算法上也不能取胜，RCS现在在量子计算领域被广泛用作标准。

包括IBM与霍尼韦尔在内其他公司，采用量子体积作为评判标准。量子体积表示可以在系统上执行的最大等宽度深度的随机电路，操作保真度越高，量子体积就越大。

它们声称，量子体积能通过考虑量子比特之间相互作用，更全面理解机器能力。遗憾的是，在谷歌分享的Willow芯片的规格表中，没有提到量子体积，这导致技术之间的比较变得困难。

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