2024年12月9日，作為科技巨頭谷歌扔出一枚“深水炸彈”：宣布成功研製新一代量子芯片“Willow”。消息一出，整個科技圈一片震驚，連其母公司Alphabet股價一夜飆升，市值漲幅約8120億元人民幣，資本用真金白銀表達了對這一突破的極大期待。
很多人可能會想，不過是一塊芯片，為何能引發如此巨大的轟動？它究竟解決了什麼難題？這是否又意味著美國在決定未來的算力競賽中已一騎絕塵？面對如此突破，我國又該如何應對？
量子新紀元
谷歌此次發布的並非傳統芯片，而是一種全新的量子芯片。它帶來的不僅是速度的提升，更是一場對計算範式的根本變革。
我們熟悉的傳統計算機，電子設備，其芯片核心邏輯是“比特”， 它總是處於明確的“開（1）”或“關（0）”的兩種狀態，而所有復雜運算，最終都可歸結為大量開關狀態的不同組合。
而量子芯片的基本單元是“量子比特”， 它藉助了量子力學中兩個關鍵特性：疊加和糾纏。假如現在你的桌上，有一枚正在不停旋轉的硬幣，當它在停轉之前，你是無法斷定其最終的正反面的。此時的它，就同時處於正與反的“疊加態”。
更奇妙的是“糾纏”：即使相隔千里，一枚硬幣的最終結果，也會瞬間影響另一枚硬幣的最終結果。這種關聯不會受物理距離限制。量子比特所擁有的這種神秘的糾纏關聯，使它們能作為一個整體協同工作。
正是這兩個特性，賦予了量子芯片算力呈指數級爆發的巨大潛力。在傳統計算機中，10個比特僅能表示10個確定數值；而10個處於糾纏態的量子比特，由於疊加態的存在，能夠同時表徵2的10次方（即1024）種不同的數值組合，並一次性對所有狀態進行運算。
這種並行處理能力，使量子芯片在模擬分子行為、破解密碼、優化複雜系統等特定任務上，具有很多傳統型計算機難以比擬的優勢。
然而，量子比特的疊加態維持是極為困難的。任何微弱的熱量或電磁噪聲都可能導致疊加態瓦解，造成計算錯誤。更棘手的是，量子比特數量越多，就越容易出錯。
因此，如何在計算過程中有效檢測和實現“量子糾錯”，就成為將量子芯片從實驗室推向實用過程中最關鍵的問題。
糾錯大突破
谷歌發布的Willow芯片，有105個物理量子比特的規模。簡單來說，它同時擁有105個極其精密的微觀計算單元，在接近絕對零度的極低溫環境下，可以以一種我們日常難以理解的方式協同工作。
Willow芯片的計算能力堪稱恐怖，它只需不到5分鐘即可完成一項基準計算任務，而同樣的計算，美國耗巨資研發的另一款大型超級計算機“Frontier”，則需要10²⁵年才能完成——這個時間甚至超過了宇宙的整個演化歷程。
Willow的另一項革命性突破，在於解決了困擾科學家近30年的核心難題：量子糾錯。為應對環境干擾導致的錯誤，一種主流方案是使用多個物理比特來共同編碼一個邏輯量子比特。
每一個物理比特就像是一塊容易出錯的“磚塊”，而通過一種名為“表面碼”的複雜編碼方式，可以將很多塊這樣的“磚”巧妙地組合起來，砌成一堵更堅固、更穩定的“牆”，這就是所謂的“邏輯量子比特”。
在Willow之前，增加磚塊（物理比特）往往意味著整面牆出錯的概率也會變得更高，“越糾越錯”是常態。
但谷歌的團隊這次首次實驗證實，當把這面“牆”砌得更大（將編碼碼距從3擴大到5，再擴大到7）時，其錯誤率不僅沒有上升，反而每次擴大規模都能讓錯誤率降低約一半，實現了“越糾越對”。
這就像找到了一種神奇的“砌牆”方法，牆砌得越大反而越穩固。這項突破，為最終建造出足夠可靠的大規模量子計算機奠定了關鍵的一塊基石。
中國齊頭進
美國有了新突破，我國當然也不能落後。今年初，中科大的團隊正式發布了新一代處理器同樣基於105個量子比特的超導量子計算機：“祖沖之三號”。它的誕生，向世界清晰地表明，在這場前沿科技競爭中，中國不僅沒有缺席，更已成長為一股不可忽視的力量。
在性能方面，“祖沖之三號”的量子比特能夠保持長達72微秒的相干時間（即維持量子態的時長），其對量子比特的操作精度也表現優異：單比特門保真度達到99.90%，雙比特門保真度高達99.62%。這些關鍵性能指標均達到國際領先水平。
在與Willow相同的基準計算任務中，“祖沖之三號”同樣展現出卓越能力，僅用數百秒即可採集百萬樣本並完成計算，其綜合計算性能較谷歌2019年發布的Sycamore處理器高出六個數量級。
在糾錯能力方面，“祖沖之三號”可實現碼距擴展為7、9和11的表面碼量子糾錯，其各項性能指標上與Willow 達到“旗鼓相當”水平。
除了實驗室中的性能突破，我國量子計算也在走向實際應用。例如，“本源悟空”計算機，已搭載72比特的“悟空芯”面向全球開放運行。截至今年初，它已完成超過32萬個計算任務，涵蓋金融、生物醫藥、流體動力學等多個領域，服務用戶超一百多個國家。
結尾
當前，無論是谷歌還是中國，相關成果依然處於初級的階段。研發的量子芯片還容易受到噪聲干擾，距離構建擁有數万個物理量子比特，可實現自我糾錯的大型容錯量子計算機，並實現大規模商業化，還有非常漫長的道路要走。
展望未來，前景可期。我國的量子科技經過20多年的發展，實現了從跟跑、並跑到部分領跑的跨越。憑藉國家層面的戰略重視、日益完整的技術產業鏈條以及紮實的人才培養體系，我國已經完全有能力在這場決定未來的科技競爭中佔據重要一席。
