谷歌的 Willow 芯片运行量子算法的速度是超级计算机的 13,000 倍：超导设计是如何实现这一点的？

谷歌宣布在实现可用量子计算方面取得重大突破。据报道，该公司的Willow处理器执行复杂的量子回声算法的速度比目前最快的经典超级计算机快约1.3万倍。

与谷歌 2019 年在 Sycamore 芯片上取得的突破相比，Willow 是一次重大飞跃。与后者不同，前者的超导芯片具有现实世界的价值。根据发表在《自然》杂志上的研究成果，它已在人工智能开发、化学建模和先进材料研究中得到了应用。

谷歌超导量子芯片的工作原理

威柳芯片采用了105个超导量子比特（量子比特是量子比特的简称，是量子计算中的基本信息单位；类似于经典计算中的比特）。每个量子比特就像一个模拟原子，可以同时容纳叠加或多种状态的信息。

当量子比特纠缠在一起时（这是一种两个或多个量子比特相互影响的状态，无论它们之间的距离有多远），它们就会实时传递量子信息。这样，处理器就能同时分析多个解决方案。

量子系统必须稳定，才能在一段时间内保持量子态之间可预测的关系。因此，谷歌设计的 Willow 能在接近绝对零度的环境中运行，隔绝热量和振动干扰。

该芯片的架构针对速度和精度进行了优化，实验报告显示，单量子比特门的保真度为 99.97%，纠缠门的保真度为 99.88%。这使得 Willow 成为运行大规模量子算法的理想选择。

(门保真度是衡量量子门与其理想的无差错版本相比的功能。越接近 100%，它的表现就越像其理论模型）。

谷歌如何验证 Willow 的量子计算能力

Willow 项目的特殊之处在于其可验证性。由于量子回声算法的结果能够在不同的机器或实验室条件下得到验证，谷歌能够满足宣称量子优越性的关键要求。

与经典模拟相比，量子回声算法能帮助研究人员更准确地模拟分子行为、化学键和电子结构。该芯片为一台超级计算机提供动力，该超级计算机在解决该算法的过程中，只用了经典超级计算机所需的十三分之一的时间就得出了结果。

正如谷歌研究员汤姆-奥布莱恩（Tom O'Brien）所说，Willow 的可重复性是理论和实际突破的分水岭。他说："如果我们不能证明数据的正确性，我们就不能用它做任何事情。"

该项目的另一位研究人员、诺贝尔奖获得者米歇尔-德沃雷特（Michel H. Devoret）是该项目的首席物理学家，他说："我们证明了电路的行为可以像原子一样。现在，我们正在展示这些人造原子能做什么。"

谷歌的 Willow 量子计算突破对人工智能和科学意味着什么？

Willow超导体芯片可以帮助科学家大大缩短模拟生物系统所需的时间。它还有可能处理经典计算无法生成准确数据集的情况。

谷歌的处理器还可应用于新材料设计和训练数据高效的人工智能系统。如果得到进一步验证，威柳的突破将使量子计算在解决工业问题方面达到实用性和可扩展性的门槛。