Google 近日公開了一項重大的量子計算突破，其最新晶片「Willow」展現出驚人的運算能力與穩定性。根據 Google 的說法，「Willow」僅需不到五分鐘即可完成一項運算挑戰，而這項任務若由全球最強的超級電腦執行，將耗時超過 10 百兆（septillion）年——遠超宇宙的年齡。

這次的進展大幅超越 Google 於 2019 年宣布的成果。當時，其量子處理器 Sycamore 在三分鐘內完成了一項數學計算，而相同任務超級電腦則需 10,000 年。儘管 IBM 對此提出質疑，但 Google 此次的成果無疑更具說服力。

突破量子錯誤修正的挑戰

量子計算的核心在於量子比特（qubit），這是一種能同時處於 0、1 和介於兩者之間狀態的單位。然而，量子比特容易因與外界環境交換資訊而產生錯誤，這一直是該領域的主要挑戰。

「低於閾值」是指在增加量子位元數量的同時降低錯誤率，這是自 1995 年彼德·修爾（Peter Shor）提出量子錯誤修正以來一直存在的挑戰。Willow 晶片的成功，標誌著 Google 在量子錯誤修正方面取得了真正的進展。

Google 的研究團隊利用「Willow」晶片，成功透過增加量子比特的數量並即時進行錯誤修正，大幅降低錯誤率。研究結果顯示，隨著量子比特數量的增加，錯誤修正能力呈指數級增長。這一成果被稱為「低於門檻」，象徵著量子錯誤修正技術的重大進展。

Google Quantum AI 創始人哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）在官方部落格中表示：「這是一個歷史性的成就。量子錯誤修正自 1995 年由彼德·修爾提出以來，一直面臨巨大挑戰。我們如今的進步證明了這項技術的可行性。」

從硬體到應用的全方位創新

「Willow」晶片擁有 105 個量子比特，這是衡量量子電腦運算能力的重要指標。更多的量子比特代表更強大的運算能力，Willow表現堪稱同類產品中的佼佼者。

量子比特很容易受到干擾而出錯。為了提高穩定性，研究人員將多個物理量子比特組合成一個「邏輯量子比特」，並利用量子糾錯技術來修正錯誤。Willow 晶片可以讓單個邏輯量子比特穩定運作一小時，這表示它能夠長時間保持量子資訊，對於執行需要長時間運算的複雜演算法非常重要。

更令人驚豔的是，隨著硬體性能的提升，錯誤率可以進一步大幅降低。例如，距離（distance）為 15 時的改進效益，與距離為 27 的情況相比，後者的性能提升超過 10,000 倍。

「距離」是指邏輯量子比特中使用的物理量子比特數量。距離越大，表示使用的物理量子比特越多，糾錯能力就越強。隨著硬體性能的提升，也就是說，每個物理量子比特的品質越好，距離的增加就能帶來更顯著的錯誤率降低效果。

當距離為 15 時，硬體性能提升一倍，錯誤率會降低 250 倍。而當距離為 27 時，同樣的硬體性能提升，錯誤率會降低超過 10,000 倍。這說明隨著距離的增加，硬體性能提升帶來的效益會更加顯著，錯誤率會呈指數級下降。

為了支持這些創新，Google 已建造專屬的製造設施，用於生產超導量子處理器。Google 的研究人員指出，這一新設施不僅提升了製程控制，也使硬體結構的最佳化得以更快速地實現。

Introducing Willow, our new state-of-the-art quantum computing chip with a breakthrough that can reduce errors exponentially as we scale up using more qubits, cracking a 30-year challenge in the field. In benchmark tests, Willow solved a standard computation in <5 mins that would…
— Sundar Pichai (@sundarpichai) December 9, 2024

量子計算的未來應用

Google 表示，其下一步目標是執行「具實際應用價值」且「超越經典運算能力」的任務。這項技術將對 AI 訓練資料收集、新藥研發、更高效的電動車電池設計，以及核聚變和新能源探索等領域產生深遠影響。

Google 量子計算研究員麥可·紐曼（Michael Newman）提到：「我們意識到這項技術確實可行。量子計算的未來，從這一刻開始，顯得更加清晰可期。」

Google「Willow」晶片的推出，不僅展現了量子計算領域的重要突破，也為量子錯誤修正技術的進一步發展鋪平了道路。隨著 Microsoft、Amazon 和 IBM 等科技巨頭也紛紛投入量子計算的研究，這項技術將成為未來科技競賽中的關鍵。