— AI时刻丨被吹上天的Willow量子芯片，真有那么神吗？ —

谷歌CEO刚刚重磅发布全新量子计算芯片——Willow，这一消息瞬间在全球科技圈掀起狂潮。据官方介绍，这块小小的芯片据称能够在短短五分钟内完成超级计算机数亿年都无法解决的计算任务。如此惊人的性能，不仅让科技爱好者们热血沸腾，甚至连世界首富埃隆·马斯克都亲自下场，与谷歌CEO展开关于量子技术如何突破人类文明极限的讨论。在万众瞩目之下，Willow被推上了“神坛”，被视为量子计算领域的里程碑式突破。然而，事实是否真的如宣传所言？这块“传奇”芯片到底有没有那么神？让我们一探究竟。

什么是量子计算？

要想说明量子芯片的“神奇”，那就必须首先了解一下什么是量子计算。要回答这个问题，我们得先从传统计算机说起。传统计算机的核心是比特（bit），它就像一个开关，要么是“开”（1），要么是“关”（0）。所有的计算，其实就是通过无数个这样的开关组合来处理信息。但量子计算机可不按常理出牌。它的基本单位是量子比特（qubit），这个神奇的小家伙不仅可以是“开”（1）或“关”（0），还可以同时是“开”和“关”（这就是所谓的叠加态）。

更神奇的是，量子比特之间还能“心有灵犀一点通”。这种现象叫量子纠缠，简单来说，如果两个量子比特纠缠了，哪怕它们相隔万里，其中一个的状态变化会立刻影响到另一个，这让量子计算机可以同时处理海量的数据，远超传统计算机的能力。

如果换个更贴近生活的比喻，传统计算机像是一个人在图书馆里找书，它只能一本本翻；而量子计算机就像拥有无数个分身，同时跑遍整个图书馆，一秒钟就把所有书都翻完了。

引用中国科学院院士郭光灿的话来说：“将量子计算机处理特定数据的能力与电子计算机相比，相当于电子计算机与算盘的能力相比。”

什么是量子芯片？

量子芯片的核心是上述提过的量子比特，像是本期主角谷歌的Willow就有105个量子比特。

然而，要构建量子芯片并不容易。量子比特可以通过多种方式实现，比如使用超导电路、光子、离子阱或量子点等技术。其中，谷歌最新的量子芯片“Willow”采用的是超导量子电路技术，这也是目前最主流的一种实现方式。

无论使用哪种技术，量子芯片的制造都极其复杂，因为量子比特对环境非常敏感。温度的微小波动、轻微的振动甚至微弱的电磁干扰都可能让量子比特的状态“崩塌”，导致计算失败。因此，量子芯片通常需要在接近绝对零度（大约-273°C）的极低温环境下运行，这对硬件设计提出了极高的要求。

与传统芯片相比，量子芯片在计算能力上有着本质的区别。传统芯片基于经典比特的0和1，计算任务需要一步步完成；而量子芯片可以利用叠加态和纠缠态，同时探索无数种可能性，在复杂问题的求解中展现出指数级的加速能力。这意味着，量子芯片可以解决传统计算机根本无力应对的问题，比如破解复杂密码、模拟分子行为、优化大规模系统等。比如，在药物开发中，量子芯片可以快速模拟分子的结构与化学反应，大幅缩短新药研发的时间；在物流优化中，它能够轻松规划出最优的配送路径，节省成本和时间。

量子芯片Willow有啥突破性的优势？

正如前面所说，量子比特虽然能够实现超越传统计算的强大能力，但它们极其脆弱，容易受到外部环境的干扰。量子比特会与周围环境快速交换信息，这种“泄漏”会导致量子态的崩塌，使计算结果变得不可靠。更糟糕的是，随着量子比特数量的增加，错误也会呈指数级增长，最终可能让量子计算机的行为趋于经典化，失去量子的独特优势。

所以，在量子计算中，我们需要进行量子纠错，量子纠错的核心目标是解决量子比特固有的不稳定性。由于量子比特极易受到噪声和干扰，任何微小的环境变化都可能导致错误的产生。传统计算中，可以通过简单的校验和冗余机制纠正错误，但在量子计算中，这种方法并不适用。量子态一旦被直接测量，就会“塌缩”到某个确定的状态，破坏叠加态和纠缠态。因此，量子纠错需要在不测量量子态的前提下，通过复杂的算法和物理冗余机制来检测和修复错误。

然而，量子纠错的普遍难题在于：随着量子比特数量的增加，错误不仅不会减少，反而会成倍增长。这意味着，量子计算机的规模越大，越难以维持其计算的“量子性”。如果无法有效地降低错误率，量子计算的潜力将难以发挥。这种挑战自1995年Peter Shor首次提出量子纠错理论以来，一直是整个领域的核心难题。

而谷歌的Willow量子芯片在量子纠错方面实现了革命性的进展。根据谷歌团队在《自然》杂志上发表的研究，Willow率先实现了“低于阈值”的量子纠错能力。这意味着，随着量子比特数量的增加，错误率不但没有增加，反而减少了。

研究团队在Willow芯片上测试了不同规模的量子比特阵列，从3x3的量子比特网格扩展到5x5网格，再到7x7网格。在每次扩展中，团队利用最新的量子纠错技术，成功地将错误率削减一半，实现了错误率的指数级下降。

Willow还展示了实时纠错的能力。这是量子计算机迈向实用化的重要一步，因为如果纠错速度不够快，错误会在计算完成前破坏整个计算过程。Willow的实时纠错系统确保了计算在运行中始终保持高精度，这也是第一次在超导量子系统中实现如此令人信服的实时纠错。

正是这样的纠错能力，实现了Willow的封神之路，正如前段时间爆火的“人民发型师晓华”所说她说自己的技术并没有多好，“只是少一些失误”。

Willow的成功不仅是科学研究的一次突破，更为构建真正实用的量子计算机提供了一个强有力的信号。它的“低于阈值”纠错能力表明，量子计算机可以在理论上无限扩展，同时降低错误率。这种能力让运行实用且商业相关的量子算法成为可能，比如解决传统计算机无法完成的复杂优化问题、模拟化学反应以加速新药研发或设计更高效的材料和能源系统。

谷歌Willow芯片的下一步是什么？

量子计算正处在从理论研究迈向实际应用的关键阶段，而谷歌的Willow量子芯片为这一领域的进展奠定了坚实基础。尽管量子计算的潜力巨大，但在当前阶段，量子芯片的实际应用仍面临重要挑战。接下来的目标是展示第一个“有用的、超越经典的”计算，即在量子计算机上实现能够解决现实世界商业问题的算法。Willow被寄予厚望，预计可以帮助实现这一历史性里程碑。

量子计算的未来能干什么？作为老百姓，我们应该如何看待？

量子计算由于制造成本的高昂和对精密技术的极致要求，注定在短期内难以进入普通人的日常生活。然而，作为下一代计算系统，它蕴含着巨大的潜力，令人充满期待。正如本次 Willow 的突破性进展，让我们看到了量子计算或许将在未来几年内逐步攻克以下这些“史诗级”的人类难题：

1.攻克癌症：解锁生命科学的终极密码

药物研发一直是人类科学的终极挑战之一，一种新药的诞生可能需要耗费十年以上时间，还伴随着数十亿美元的研发成本。而量子芯片的加入，或许能把这一切变成“快进模式”。传统计算机在模拟分子行为时力不从心，尤其是涉及量子层面的分子相互作用时，计算精度和效率都远远不够。但量子计算的叠加态和纠缠特性，能够直接模拟分子结构、化学反应，甚至帮助科学家设计“完美分子”。

这意味着什么？意味着对癌症、阿尔茨海默病等疑难疾病的药物研发，不再是“碰运气”式的实验，而是基于精准的量子模拟，直接锁定最佳治疗靶点。

2.核聚变能源：解锁无限能源的梦想

核聚变，被称为“终极能源”。它模拟太阳的能量来源，能够在不产生大量放射性废料的情况下提供几乎无限的清洁能源。然而，核聚变的实现过程极其复杂，涉及等离子体物理、磁约束控制和高能量反应路径的优化，这些问题对经典计算机来说是一个巨大的瓶颈。

量子芯片的出现，让核聚变研究看到了突破的希望。通过量子计算，我们可以更精准地模拟核聚变反应中的粒子行为，优化磁约束装置的参数，甚至预测等离子体的动态行为。想象一下，当量子计算帮助科学家发现更稳定、更高效的核聚变反应路径时，人类将迎来能源的终极解决方案。

这不仅意味着解决全球能源危机，也能从根本上减少碳排放，让地球摆脱对化石燃料的依赖。核聚变的实现，可能是量子计算对人类社会最大的馈赠之一。

3.气候预测与能源优化：拯救地球的量子方案

气候变化是人类面临的最大生存危机之一，而预测和应对气候变化，需要处理的数据量和模型复杂度远超传统计算机的能力。量子芯片可以模拟大气系统的复杂行为，帮助科学家更精准地预测气候变化，并设计应对方案，比如优化碳捕获技术、模拟自然生态系统的恢复过程等。

此外，在能源领域，量子计算还可以帮助优化全球能源网络，比如设计更高效的电网调度算法，减少能源浪费；或者通过模拟核聚变反应，推动清洁能源的实现。

量子计算与AI：实现集合全人类文明的超级AI

而当量子计算遇上人工智能，两者的结合将可能催生出历史上最强大的技术体系，甚至推动超级AI的诞生——一个能够集合全人类智慧与文明成果的人工智能。量子计算凭借其巨大的计算能力，可以处理经典计算机无法触及的海量数据，为AI的训练和优化提供前所未有的效率支持。它不仅可以加速模型训练，还能帮助AI模拟复杂的量子现象、优化算法结构，甚至解决当前AI模型中无法突破的瓶颈。

未来的超级AI不仅仅是更快、更智能的工具，它可能成为人类社会的“智慧仓库”，凝聚全人类的知识、历史与文化，实现从科学探索到社会治理的全面升级。量子计算将为这种超级AI赋予强大的算力基础，使其能够处理复杂的人类级难题，比如精准预测气候变化、优化全球资源分配，甚至帮助探索宇宙的奥秘。这不仅是技术的进化，更是人类文明迈向新高度的契机。

国内量子计算的发展情况

咱们国家目前也在量子计算领域取得了显著进展，成功跻身国际第一梯队。

中国的量子计算研究起步较早，得益于国家层面的政策支持，为技术创新提供了坚实保障。特别是在量子通信和超导量子计算领域，中国已经取得了一系列国际瞩目的成果，部分方向甚至实现了超越。例如，潘建伟团队在量子纠缠和通信领域的突破性研究，成为中国量子科技成就的代表性案例，彰显了我国在基础研究上的综合实力。

与此同时，国内在量子计算产业化方面也取得了积极进展。今年7月，“本源量子计算产业联盟”进一步扩容，成员单位数量突破100家，这标志着国内量子计算产业链的进一步完善，反映出产业界对量子计算前景的高度认可。量子计算的潜在价值不仅体现在新兴产业的核心技术上，还可能推动整个社会的科技创新和经济转型，成为推动未来经济发展的重要动力。

一个典型的例子是“本源悟空”超导量子计算机，这是国内最新一代工程化量子计算机的杰出成果。“本源悟空”搭载的硬件、芯片、操作系统和应用软件等关键技术均实现了自主可控，其国产化率已超过80%。这台量子计算机拥有72个量子比特，支持用户在线使用，已经被来自120多个国家的用户访问超过1200万次，完成了25万个计算任务。这不仅表明国内量子计算技术正在稳步向实用化迈进，也彰显了中国在量子计算生态建设上的逐步完善。