近期，谷歌發(fā)布了一款名為Willow的量子芯片，在多個關(guān)鍵領(lǐng)域取得重大突破，尤其是在量子糾錯方面實(shí)現(xiàn)了革命性進(jìn)展。與此同時，中國在量子科技領(lǐng)域也取得了顯著成果，部分技術(shù)甚至領(lǐng)先全球。當(dāng)前，中美兩國在量子科技領(lǐng)域的競爭日趨激烈，雙方在不同技術(shù)路線和應(yīng)用領(lǐng)域各有優(yōu)勢，但距離大規(guī)模商用仍有較長的路要走。
谷歌發(fā)布量子芯片Willow：突破量子糾錯難題
谷歌的量子芯片Willow擁有105個物理量子比特，在計算速度和糾錯能力上取得顯著進(jìn)展。據(jù)報道，Willow能夠在不到5分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)計算任務(wù)，而這項(xiàng)任務(wù)如果交由目前全球最快的超級計算機(jī)El Capitan，需要約 10^25年才能完成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙的年齡。這一計算能力得益于量子比特的特性，即可以同時處于多個狀態(tài)的疊加態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長的計算能力。
Willow的核心突破：量子糾錯的革命性進(jìn)展
量子計算的一個主要挑戰(zhàn)是錯誤率問題。隨著量子比特數(shù)量的增加，系統(tǒng)的錯誤率會呈指數(shù)級上升，導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確。Willow通過先進(jìn)的量子糾錯技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了錯誤率的指數(shù)級降低。
Willow采用了表面碼量子糾錯技術(shù)，通過將多個物理量子比特組合成一個邏輯量子比特，并構(gòu)建兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)量子比特和輔助糾錯量子比特），顯著降低了計算錯誤率。
數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)晶格從3x3增加到5x5，再到7x7時，編碼錯誤率以2.14倍的倍率降低。這一成果解決了量子計算領(lǐng)域30年來的難題，為未來構(gòu)建大規(guī)模容錯量子計算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
然而，Willow目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離大規(guī)模商用還有很長的路要走。
中國量子科技穩(wěn)步推進(jìn)：多領(lǐng)域取得突破
中國在量子科技領(lǐng)域的研究同樣取得了重要進(jìn)展。近年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)在量子計算方面屢創(chuàng)佳績，部分成果已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
中國量子計算的里程碑：祖沖之三號
2024年，中國科學(xué)家研制的祖沖之三號量子計算機(jī)相關(guān)成果在arXiv平臺發(fā)表。該量子計算機(jī)擁有105個量子比特，性能超越谷歌2024年發(fā)布的72比特Sycamore處理器6個數(shù)量級，成為目前超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域的佼佼者。
祖沖之三號與谷歌的Willow在多個指標(biāo)上達(dá)到同一量級，但兩者的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同：
Willow在量子糾錯領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
祖沖之三號在超導(dǎo)量子計算優(yōu)越性上表現(xiàn)突出。
中國在光量子技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢
除了超導(dǎo)量子計算，中國在光量子技術(shù)領(lǐng)域也取得了全球領(lǐng)先的成果。光量子技術(shù)具備室溫運(yùn)行、芯片化和兼容人工智能的優(yōu)勢，同時不依賴國外高端光刻機(jī)和制程工藝，是一條潛力巨大的技術(shù)路線。
2024年9月，上海交大無錫光子芯片研究院建成了光子芯片中試線，形成了自主可控的工藝閉環(huán)，預(yù)計2025年將發(fā)布PDK工藝設(shè)計包。
中美量子科技競爭：同屬第一梯隊(duì)，互有勝負(fù)
當(dāng)前，中美兩國在量子科技領(lǐng)域處于全球第一梯隊(duì)，在不同技術(shù)路線和應(yīng)用領(lǐng)域各有優(yōu)勢：
美國的優(yōu)勢：谷歌、IBM等科技巨頭在量子計算硬件、量子糾錯技術(shù)以及量子算法領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。Willow的發(fā)布標(biāo)志著美國在量子糾錯領(lǐng)域取得了重要突破。
中國的優(yōu)勢：在超導(dǎo)量子計算和光量子技術(shù)領(lǐng)域，中國已實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，部分技術(shù)指標(biāo)全球領(lǐng)先。光量子技術(shù)的芯片化和室溫運(yùn)行特性，為未來量子計算的商用化提供了更多可能性。
盡管如此，目前量子計算仍處于初級階段，量子比特數(shù)量僅在百位級左右，距離解決實(shí)際問題所需的百萬糾錯量子比特還有很大差距。
商業(yè)化前景：量子計算的未來仍需時間
根據(jù)市場預(yù)測，量子產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模將在未來幾年快速增長：
2023年全球量子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模約為72.4億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到2391億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)65%。
盡管市場前景廣闊，但量子計算的大規(guī)模商用仍需時間：
短期內(nèi)（5-10年），量子計算可能在量子化學(xué)模擬、加密破解等特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化解決方案。
長期來看（10-20年），量子計算可能會在量子糾錯技術(shù)的支持下，逐步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
寫在最后
量子計算的未來發(fā)展大致可分為三個階段：
實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性：目前中美兩國均已達(dá)到這一階段。
研制專用量子模擬機(jī)：這一階段旨在解決特定領(lǐng)域的實(shí)際問題，我國科學(xué)家正致力于這一方向，預(yù)計未來3-5年內(nèi)取得突破。
構(gòu)建可編程通用量子計算機(jī)：這一階段需要依賴量子糾錯技術(shù)的成熟，預(yù)計還需10-20年時間。
未來，量子計算將在基礎(chǔ)科學(xué)研究、高精度測量、信息安全、新藥研發(fā)、新材料應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來革命性變革。中美兩國在這一領(lǐng)域的持續(xù)競爭，也將推動全球量子科技的快速進(jìn)步。
