谷歌量子计算机Willow做了什么？大多数媒体都没说到点子上

合集 · 解读科技问题 (79)

Description
我的第一反应是，我对量子计算机“5分钟顶超算1025年”心中毫无波澜。因为这是早已实现的一类成就，叫做实现量子优越性（quantum advantage），即在某个数学问题上，量子计算机超越最强的经典计算机。
	2019年谷歌的超导量子计算机“悬铃木”（Sycamore）第一次实现了量子优越性，相应的数学问题叫做“随机线路取样”（random circuit sampling）。
	2020年，中国科学技术大学潘建伟院士团队的量子计算机“九章”也用光学体系实现了量子优越性，相应的数学问题叫做“高斯玻色子取样”（Gaussian boson sampling）。
	2021年，潘建伟团队的超导量子计算机“祖冲之二号”也实现了量子优越性，数学问题也是随机线路取样。
	这类研究典型的成果，就是量子计算机处理某个数学问题的速度超过最强的超算好几个量级，如几分钟对几亿年。但这类研究也有个核心的局限性，就是这种优势只适用于某些数学问题，而这些数学问题还没有现实的应用。它们纯粹是为了实现量子优越性而设计出来的，好比先射箭，再画靶子。
	量子计算机这个领域的一大基本状况，就是它目前还没有实用价值。它或者是对某些问题算得快，但这些问题本身尚无用处；或者是能处理一些有用的问题，但经典计算机对这些问题算得更快。总之，目前的量子计算机没有一个是有真正的实用价值的。
	因此，我的第一反应是，Willow只不过是把量子优越性的倍数进一步提高而已，并没有改变基本状况，所以这只是个量的改进，不是质的进步。顺便说一句，国内的报道中都没有翻译Willow这个词，大概是因为它有几个词义，柳树、球棒和纺织业中的威罗机，不知道该对应哪个。其实在我看来，既然谷歌的上一代超导量子计算机叫做悬铃木（Sycamore），那么十有八九，Willow应该指的是柳树，这个系列都以树木命名。正如IBM的超导量子计算机都以鸟类命名，鹰（Eagle）、鱼鹰（Osprey）和秃鹫（Condor）等等。
	然而，我稍微有点空以后，去搜了相应的原始报道，就发现了一件令人吃惊的事。谷歌团队的论文是12月9日在线发表于《Nature》，它的标题叫做《低于表面码阈值的量子纠错》（Quantum error correction below the surface code threshold），并没有提计算能力的进步。再看一下文章，更令人震惊的是，里边压根就没提5分钟对1025年！媒体热炒的这件事，论文里提都没提！
	那么这个消息是从哪里来的呢？再仔细找找，出自谷歌的一个发布会，谷歌量子AI团队的领导人Hartmut Neven为此写了一篇报道。也就是说，5分钟对1025年这个说法其实是谷歌自称的，还没有经过同行的审稿确认。
	当然，我并不是说这个算力的进步一定是错的，我只是说它并没有写在论文里，还需要一段时间来检验。这里真正的重点是，谷歌自己和业内专家都认为，这个工作的关键是纠错，而不是算力进步。我赶快咨询了我的几位量子计算专家朋友，对这件事的细节增加了很多了解。
	实际上，《Nature》杂志为这个工作写了一篇评论文章，标题就是引用我的一位科大同事说的“一个真正惊人的突破”（‘A truly remarkable breakthrough’: Google’s new quantum chip achieves accuracy milestone）。那么这个突破究竟惊人在哪里？简而言之，就是量子计算的纠错终于开始见效了。以前是越纠越错，现在是越纠越不错。
	我们来非常简略地解释一下，纠错是什么意思。由于受到环境的影响，计算机的存储和操作可能出错，例如0变成1，1变成0。曾经有人在玩《超级马里奥》的时候，发现马里奥突然出现在一个不可能的位置，后来分析可能就是因为一个宇宙线高能粒子打进来，导致一个比特出错。这还是经典计算机，它出错的概率相对较低。量子计算机的基本操作单元“量子比特”（qubit）对环境更敏感，出错的概率也就更大。
	所以无论是经典计算机还是量子计算机，都需要纠错。基本思想就是用多个比特来保一个比特，比如说把一个比特复制成三个一组。正常情况下它们应该是000或者111，假如我们有一天突然看见了001，这说明什么？有两种可能得到001，一种是一个0出错变成1，另一种是两个1出错变成0。显然第二种可能远低于第一种，于是我们少数服从多数，把那个1变成0，这就实现了纠错。
	为了提高纠错的可靠性，还可以用更多的比特来保一个比特，例如用5个、用7个等等。所以有物理比特和逻辑比特之分，纠错就是用多个物理比特，来实现一个逻辑比特。