2024 年量子计算的最新突破：实际发生了什么变化及其重要性

每年都会循环播放量子计算故事的一个版本：令人窒息的新闻稿，数字大到难以理解，然后是沉默。对于真正密切关注这一领域的研究人员来说，2024 年感觉有所不同。不是因为一项公告，而是因为几个月内发生的三个独立的突破性时刻——每个突破性时刻都来自不同的公司，对同一问题采用了根本不同的方法。当这种情况在硬件架构中同时发生时，通常表明该领域正在移动而不是旋转。

以下是 2024 年实际发生的变化、为什么每项开发都很重要，以及诚实的警告是什么。

Google Willow：改变纠错对话的芯片

今年最大的新闻发生在 2024 年 12 月 9 日。谷歌的量子 AI 团队推出了 Willow——一款在加州大学圣巴巴拉分校的专用制造工厂制造的 105 量子位超导处理器——它所展示的不仅仅是一款更快的芯片。这证明了该领域近三十年来一直试图建立的东西。

核心成就：随着谷歌向 Willow 添加更多量子位，错误率不升反降。听起来很简单。事实并非如此。多年来，量子计算的主要挫败之处在于，更多的量子位意味着更多的噪声、更多的不稳定性以及计算中级联的更多错误。您可以构建一个更大的系统，但它的可靠性会降低。威洛打破了这种关系。利用其纠错架构，该芯片展示了所谓的“低于阈值”操作——在这个点上，扩展实际上是有帮助而不是有害的。

与此公告一起运行的谷歌基准立即名声大噪：Willow 在不到五分钟的时间内完成了随机电路采样计算，这需要当今最快的经典超级计算机 10 亿年 - 即 10²⁵ 年，大约是当前宇宙年龄的一百万倍。正如 2012 年谷歌量子人工智能创始人哈特穆特·内文 (Hartmut Neven) 所说：“我们已经过了收支平衡点。”完整的技术细节发表在同行评审的《自然》杂志上，这一点很重要：之前的量子霸权主张已经引起了合理的批评，而让方法可供审查是一个有意义的区别。

官方公告和技术文档可直接在 Google 的 Quantum AI 博客上获取。

诚实的警告：Willow 的基准测试仍然很窄。随机电路采样证明某些计算对于该芯片来说通常是难以处理的——这并不意味着 Willow 目前可以运行每当量子计算出现时都会提到的药物发现或气候建模应用程序。 Willow 的价值是建筑性的：它表明大规模纠错量子计算不再是理论上限。这是一条经过验证的工程路径。

微软和 Quantinuum：逻辑量子比特里程碑

在 Willow 宣布这一消息的前 8 个月，微软和 Quantinuum 于 2024 年 4 月发布了一项结果，该结果并未受到普遍关注，但可以说受到了研究人员更多的关注。他们使用微软所谓的“量子位虚拟化”展示了逻辑量子位，其错误率比构建它们的相应物理量子位低 800 倍。

物理量子位和逻辑量子位之间的区别是量子计算中真正的分界线。物理量子位是硬件单元——它们有噪音，对温度、振动、电磁干扰和时间本身敏感。逻辑量子位是通过将多个物理量子位组合成一个对信息进行冗余编码的结构来构建的，因此可以在不破坏计算的情况下检测和纠正错误。挑战始终是逻辑量子位需要如此多的物理量子位来构建，以至于开销使整个事情变得不切实际。错误率降低了 800 倍，这意味着逻辑量子位开始变得现实而不是理论。

微软于 2024 年 11 月进一步扩展了这一功能。他们与 AtomComputing 合作，使用超冷中性镱原子成功创建并纠缠了 24 个逻辑量子位，创下了新记录，并具有出色的门保真度：单量子位操作为 99.963%，双量子位纠缠门为 99.56%。中性原子方法使用由光镊固定的激光冷却原子，这是一种与谷歌超导传输器完全不同的硬件架构。这很重要，因为这意味着实现容错量子计算的多种可行路径正在同时取得进展，而不是该领域将一切都押在一种方法上。

然后在 2024 年 12 月，Quantinuum 更进一步：纠缠了 50 个逻辑量子位——另一项记录，并证明逻辑量子位时代不是未来的里程碑，而是活跃的现在。

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