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量子科技巅峰对决！谷歌突破量子纠错障碍，中美竞争进入白热化阶段

发布时间: 2025-01-02 09:55:39
来源: 国际电子信息产业

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最近，谷歌推出了一款名为Willow的量子芯片，该芯片在多个技术指标上实现了显著进展，甚至破解了量子纠错领域长达30年之久的难题。尽管如此，这款芯片目前仍处于实验室研发阶段，距离投入商业应用尚需时日。
与此同时，中国在量子科技方面的进展也不容小觑。国内众多研究机构和企业在这一领域正稳步前进，某些成果已经走在了世界前列。当前，中美在量子科技领域的竞争正酣，双方在各自的细分领域均有所斩获，竞争态势激烈。

谷歌发布超强量子芯片Willow，跨越容错难题

最近，谷歌推出了拥有105个物理量子比特的量子芯片——Willow。这款芯片的计算速度和错误校正能力令人瞩目，得益于其物理量子比特的数量增加。
据悉，Willow能在短短不到5分钟内完成一项标准计算任务，而同样的任务如果交给目前全球最快的超级计算机El Capitan，其处理能力为1.742 EFlop/s，却需要10^25年，这远远超过了宇宙的年龄。
量子芯片之所以能实现如此高效的运算，归功于量子比特遵循的量子力学原理。与传统比特只能处于0或1的状态不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。例如，10个经典比特只能表示一个10位的二进制数，而10个量子比特可以同时表示2^10种状态，即1024种可能性。Willow的105个量子比特，则能同时表示2^105个状态，这个数字甚至超过了撒哈拉沙漠中沙子的数量。
随着量子比特数量的增加，其能表示的状态数量呈指数级增长，远超经典比特，赋予了量子芯片处理信息的天然并行性，极大提升了计算速度。
Willow的另一项重大突破是显著降低了错误率。通常量子比特数量增加，错误率也会指数级上升，但Willow通过先进的量子纠错技术，实现了错误率的指数级下降。研究表明，当晶格从3x3增加到5x5，再到7x7时，编码错误率以2.14的倍率降低，解决了计算领域近30年的难题，并跨越了量子纠错的关键门槛。
量子比特在叠加态时极易受环境因素影响，如温度、电磁场、宇宙射线等，导致退相干和信息错误。过去的研究发现，量子比特越多，错误也越呈指数级增长。谷歌利用表面码量子纠错技术，通过将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，创建了双层网格结构，一层用于数据量子比特，另一层用于间接测量和纠正错误，为构建更大规模、更可靠的量子计算机开辟了新路径。

中美量子科技同属第一梯队，但商用时间还早

与此同时，中国在全球量子科技领域与美国并肩前行，处于第一梯队。近年来，中国科学技术大学等机构的科研团队在量子计算领域取得了显著进展。
在2019年和2020年，美国推出了“悬铃木”，中国推出了“九章”，这两款量子计算原型机分别实现了“量子优越性”，其中“九章”采用了光量子技术路线。
近期，中国科学家研制的拥有105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机成果在arXiv线上发表，数据显示其性能超过了谷歌2024年10月发布的72比特Sycamore处理器六个数量级，成为超导量子计算领域的佼佼者。
目前，“祖冲之三号”与谷歌的Willow在性能指标上旗鼓相当，“祖冲之三号”在超导量子计算方面取得了最强优越性，而Willow在量子纠错方面取得了重大突破。业内专家指出，经过二十余年的发展，我国量子科技已从跟随、并行走向了部分领域的领跑。
市场前景方面，据ICVTA&K预测，全球量子产业市场规模在2023年可能达到72.4亿美元，预计到2030年将增长至2391亿美元，复合年增长率高达65%。
专家表示，量子计算主要分为超导、光量子、离子阱、半导体等不同技术路线，中国在超导和光量子领域具有优势，并已实现量子优越性。虽然谷歌的Willow和我国的“祖冲之三号”都采用超导路线，但超导量子计算机需要在极低温度下运行，设备体积大且成本高，限制了其广泛应用。
光量子路线则具有室温运行、芯片化、兼容人工智能等优点，且光量子芯片制造可使用成熟的CMOS工艺，不依赖国外高端光刻机。上海交大无锡光子芯片研究院光子芯片中试线已建成启用，预计2025年第一季度将发布PDK工艺设计包。
然而，当前量子芯片仍处于初级阶段，量子比特数量大约在百位级，解决复杂问题需要上百万纠错量子比特。量子计算的大规模商业化可能还需10-20年，但在量子化学模拟、加密破解等特定领域，未来5-10年可能会出现实用化的解决方案。

写在最后

目前，尽管中美两国在量子计算研究方面已取得显著进展，但距离商用化仍有一段路要走。根据人民日报的报道，量子计算的发展可分为三个阶段：第一阶段是实现“量子计算优越性”，这一点中美两国都已实现；第二阶段是开发专用的量子模拟机；第三阶段则是在量子纠错的帮助下研制出可编程的通用量子计算机。
据专家透露，我国目前已步入第二阶段，科研人员正专注于构建专用量子模拟机，希望在接下来的3至5年内，能够解决一些具有实际应用价值的关键问题。例如，解决复杂的计算难题，甚至是哥德巴赫猜想等纯数学理论问题，都可能因量子计算的强大能力而取得突破。
同时，在物理、化学、生物学等基础科学领域，量子计算能够模拟复杂的量子系统和化学反应过程，这有助于科学家更深入地理解物质的基本属性和相互作用。这将进一步推动在高精度测量、信息安全、新药研发、医学检测、新材料应用等多个领域的快速进展。

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