21觀察￨谷歌willow震撼AI圈 10年後進入量子計算時代？

21世紀經濟報道記者孔海麗 北京報道

又一項革命性技術進展將爲AI提供神奇助力。

北京時間12月10日，谷歌宣佈研發出新的量子芯片Willow（威洛）。這款計算能力超強的芯片，實現了量子計算領域30年來的關鍵性突破，5分鐘即可完成當今計算機要10堯（10的25次方）年才能完成的任務。研究成果發表在12月9日出版的《nature》雜誌上。

消息傳出後，量子信息行業一片歡呼，AI圈也大受震撼。

兩大關鍵突破

Willow的重大突破錶現在兩個方面：一是性能也就是計算能力的大幅飛昇。

5分鐘計算量相當於目前運行速度最快的計算機10堯（10的25次方）年才能完成的任務。10²⁵年遠高於宇宙的年齡（約130億年）。5分鐘與10²⁵年，這個對比，可見其計算速度的躍升非常之恐怖。

二是強大的量子糾錯能力。

我們日常所用的普通計算機基於經典物理學，採用二進制系統，以比特作爲信息存儲和處理的基本單位，每個比特只能表示0或1兩種狀態。而量子計算機則遵循量子力學規律，使用量子比特作爲基本信息存儲和處理單位。量子比特以0和1的疊加態存在，可極大提高計算效率。但問題是，芯片所含的量子比特越多，出錯的概率越大。

1995年美國麻省理工應用數學系教授Peter Shor引入了量子糾錯的概念。30年來，科學家們一直在研究量子糾錯，但沒有取得本質突破。

Willow在量子糾錯領域實現的重大進展是，基於可擴展的方形網格，邏輯量子比特數量（目前是105個量子比特）增加，錯誤率卻迅速下降。其從3x3編碼量子位擴展到5x5的網格，再擴展到7x7的網格，每次擴展，錯誤率減半。而且Willow可實時糾錯，這使其在短時間內擴展到更高位階的量子比特（比如1050個）成爲可能。

以上兩項重大突破，相比性能提升，糾錯能力更受科學家關注。

量子計算加入，AI如虎添翼

量子芯片是量子計算機的核心。Willow的研發團隊是哈特穆特·內文（Hartmut Neven）領導的谷歌量子AI實驗室。哈特穆特表示，Willow是向大規模、自糾錯量子計算機邁出的一大步，它的糾錯能力和超越經典的計算能力使我們更接近一個可提供商業應用的系統，從幫助發現新藥，到設計更高效的電動汽車電池，再到加速核聚變和新能源替代的進展。

正如谷歌量子AI實驗室這個名稱所喻指的，量子計算+人工智能，將是人類朝着通用人工智能發展的一條可行路徑。哈特穆特提到的核聚變研究，其涉及的計算量極爲龐大複雜，是傳統計算機無法勝任的，但量子計算完全可以。

再比如，最近大模型訓練遇到的Scaling Law（規模定律）面臨失效的擔憂，就是因爲巨大的資金投入和參數增長，卻不能取得相應的成效，使得像OpenAI這樣的AI巨頭也可能陷入開發瓶頸。但Willow的出現表明，未來量子計算承擔任何參數的大模型訓練都只是小case。

這也是馬斯克和OpenAI CEO山姆·奧特曼等人對Willow點讚的原因。如果大規模、自糾錯量子芯片加入到人工智能隊伍，就大大增強了AGI如期到來的確定性。馬斯克今年10月底在參加“未來投資倡議”大會的人工智能討論環節時表示，AI能夠實現所有人類綜合能力（也就是AGI）的時間大概是2028到2029年左右。而奧特曼今年9月底也在一篇個人文章裡稱，超級人工智能可能會在未來“幾千天”內誕生。

哈特穆特在解釋爲何將其2012年創立的實驗室命名爲“（谷歌）量子人工智能”時說，人工智能和量子計算將被證明是我們這個時代最具變革性的技術，但先進的人工智能將從量子計算中受益匪淺。

不過，部分科學家對谷歌最新量子芯片的性能定義還存在爭議。英國薩里大學計算機專家艾倫·伍德沃德說，Willow的出現“鼓舞了所有努力製造實用量子計算機的人”，但谷歌使用的是專門爲量子計算機量身定做的性能測試工具來研發這一芯片，因此，將其計算性能與傳統計算機相比是不準確的，“就好像你沒法把蘋果和橘子放在一起對比”。

之江實驗室主任、阿里雲創始人王堅院士12月13日也表示，Willow是用一個非常專用的裝置，完成了一個非常特殊的任務，它是一個無比快的算盤，還是一個真正超越今天（傳統計算機的）計算裝置的計算，需要重新思考，但這個問題今天我們還沒有答案。

量子計算時代還有多久到來？

AI與量子計算的相互助力，將加快量子芯片和量子計算機的規模化商用進程，但專家初步預測，那也需要5-10年。哈特穆特承認，實際應用於商業場景的量子計算機在2030年之前可能不會出現。

Willow的規模化商用，尤其是民用，恐怕還需要較長的一段時間。科學家在1946年發明了世界上第一臺通用計算機，但過了二三十年，個人計算機才得以規模化商用。

2019年10月，前述谷歌量子AI團隊將其“量子霸權（Quantum Supremacy）”的研究成果發表於《nature》雜誌，宣佈開發出了一款54個量子比特數的量子芯片。其時，谷歌 CEO桑達爾·皮查伊將其與萊特兄弟發明飛機時的首次12秒成功試飛相比。但飛機的大規模商用也是在二三十年後。

去年11月，英偉達CEO黃仁勳在接受《哈佛商業評論》英文版總編殷阿笛（Adi Ignatius）採訪時說，量子計算機可能還要再過十年、甚至二十年才能真正實現工業化。2024年6月26日，黃仁勳在英偉達年度股東大會上再次表示，實用的量子計算還需要幾十年的時間才能實現。到那時，算法將是加速計算和量子方法的結合。不過，黃仁勳發表上述看法時，具有行業突進意義的谷歌Willow尚未問世。

值得強調的是，我國在量子計算研究領域也站在了世界前沿。

近日，在2024數字科技生態大會上，中電信量子信息科技集團正式發佈了超導量子計算機 “天衍 504”，它是由一臺24比特、兩臺176比特和一臺504比特量子計算機組成的國內最大的量子計算集羣，並提供了5類運算性能世界一流的高性能仿真機和Cqlib量子編程框架。自中國電信2023年11月發佈“天衍”量子計算雲平臺並提供對外服務以來，已有來自全球50多個國家、超1200萬訪問量，實驗任務數超過60萬個。此外，中國科技大學副校長潘建偉院士在量子計算、量子通訊和量子加密領域的研究成果，早就屬於國際領先水平。

2024年1月，工信部等七部門發佈的《關於推動未來產業創新發展的實施意見》，將量子信息納入到未來產業規劃中。量子信息技術包括量子通信、量子計算和量子加密測量等三個主要方面。

10月29日，潘建偉在2024量子科技和產業大會開幕式上表示，知名企業如谷歌和IBM，部分國家如英國和法國，提出了在2035年前後實現100萬個量子比特相干操縱的目標，“我國正在編制的國家量子科技相關規劃中，也提出了同樣的目標。”潘建偉透露。據瞭解，百萬級量子比特相干操縱是實現量子信息技術的重要途徑。

未來10到15年，有望在量子糾錯的基礎上，實現具備基本功能的通用容錯量子計算機，探索密碼分析、大數據分析等應用。到那時候，方可稱之爲量子計算時代的到來。

那時，所有基於傳統計算機基礎上的加密算法體系，包括比特幣，都需要重塑。這也是Willow發佈當天比特幣應聲下跌的原因。當然，由於距離量子計算時代還有較長時間，應激過後的比特幣又恢復了上漲。