破解30年重大难题！谷歌最强量子芯片发布：比特币将崩盘？

12月10日，谷歌通过官方博客宣布，其最新的量子计算芯片“Willow”得了两项重大成就：

1、Willow可以在使用更多量子比特（拥有105个物理量子比特）的情况下，成倍地减少错误，破解了近30年来一直在研究的量子纠错挑战。

2、Willow可以在不到5分钟内完成一项标准基准计算，而当今最快的超级计算机要完成这一计算需要10^25（10000000000000000000000000）年的时间，这一时间比宇宙的年龄还长。

目前谷歌的相关研究也已经发表于《自然》（Nature）期刊，其关键在于发现了一种串联Willow芯片量子位的方法，随着量子位数量增加，出错频率反而能下降。不只如此，这种方式还可实时校正误差，为量子计算商用化迈出关键一步。

谷歌量子 AI 实验室负责人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）称，“当我在2012年创立谷歌量子人工智能时，我的愿景是建立一个有用的大规模量子计算机，可以利用量子力学——我们今天所知道的自然界的“操作系统”——通过推进科学发现、开发有用的应用程序和应对一些社会最大的挑战来造福社会。Willow芯片的推出，实现了关键的技术突破，使我们朝着商业相关应用的方向迈出了重要的一步。”

不过，哈特穆特·内文也承认，能够实际应用于商业场景的量子计算机在2030年之前可能不会出现。

△谷歌量子硬件总监 Julian Kelly 通过视频介绍 Willow 及其突破性成就

对于谷歌Willow芯片所取得的成就，特斯拉、X、SpaceX CEO马斯克以及OpenAI CEO山姆·阿尔特曼都表示了祝贺。

马斯克甚至还积极响应谷歌CEO Sundar Pichai有关要通过SpaceX星舰（Starship）在太空建立一个量子簇（quantum cluster）的计划，表示这大概真的会发生。

马斯克推文指出，人类若自诩高度文明，势必要走向“卡尔达肖夫指数II型（Kardashev Type II），当前人类世界仍处于卡尔达肖夫指数I型，且完成度恐低于5%，为达30%左右的程度，在所有沙漠与高度干旱的地区铺置太阳能板是必要的措施，唯有如此，才能因应超级运算所带来的高耗能，并同时兼顾绿能环保。

然而，谷歌Willow量子计算芯片的突破，却吓坏了众多比特币等加密货币投资者。

指数级的提升量子纠错能力

错误是量子计算中最大的挑战之一，因为量子比特（量子计算机中的计算单位）倾向于与环境快速交换信息，这使得很难保护完成计算所需的信息。通常，你使用的量子位越多，发生的错误就越多。

然而，Willow量子芯片实现了使用的量子位越多，减少的错误就越多，系统可用的量子就越多的惊人成就。

谷歌测试了越来越大的物理量子位阵列，从3x3编码量子位的网格扩展到5x5的网格，再到7x7的网格。每次的扩展，谷歌都能在量子纠错方面取得最新进展，即都能将错误率减半。

换句话说，谷歌实现了错误率的指数级下降。这一历史性成就在该领域被称为“低于阈值”——能够在减少错误的同时扩大量子比特的数量。你必须证明自己低于阈值，才能在纠错方面取得真正的进展，自1995年Peter Shor引入量子纠错以来，这一直是一个突出的挑战。

这一成就还涉及其他科学“第一”。例如，这也是超导量子系统上实时纠错的第一个引人注目的例子之一，这对任何有用的计算都至关重要，因为如果你不能足够快地纠正错误，它们会在计算完成之前破坏你的计算结果。这是一个“超越盈亏平衡”的演示，谷歌的量子比特阵列的寿命比单个物理量子比特的寿命更长，这是纠错正在改善整个系统的一个不可忽视的迹象。

作为第一个低于阈值的系统，这是迄今为止构建的可扩展逻辑量子比特最令人信服的原型。这是一个强有力的迹象，表明确实可以建造有用的、非常大的量子计算机。Willow使我们更接近于运行实用的、商业上相关的算法，这些算法无法在传统计算机上复制。

5分钟完成经典超算100亿兆年的计算量

作为Willow性能的衡量标准，谷歌使用了随机电路采样（RCS）基准。RCS现在也被广泛用作该领域的标准，是当今量子计算机上可以完成的经典的最难的基准。

你可以把这看作是量子计算的切入点——它检查量子计算机是否在做经典计算机无法完成的事情。任何构建量子计算机的团队都应该首先检查它是否能在RCS上击败经典计算机。否则，人们有充分的理由怀疑它能否解决更复杂的量子任务。谷歌一直使用这一基准来评估从一代芯片到下一代芯片的进展。

Willow在这个基准测试中的表现令人惊讶：它在不到五分钟的时间内完成了一次计算，这将需要当今最快的超级计算机则需要10^25（10000000000000000000000000）年，这个数字远远超过了宇宙的年龄。

如下图所示，Willow的这些最新测试结果是也迄今为止表现最好的，谷歌表示还将会继续取得进展。

△计算成本深受可用内存的影响。因此，谷歌的估计考虑了一系列场景，从具有无限内存的理想情况（▲）到GPU上更实用、更尴尬的并行化实现（⬤）。

谷歌对Willow如何超越世界上最强大的经典超级计算机之一Frontier的评估是基于保守的假设。例如，可以完全访问辅助存储，即硬盘驱动器，而不会产生任何带宽开销——这对Frontier来说是一个慷慨而不切实际的允许。当然，正如谷歌在2019年宣布第一个超越经典计算之后所发生的那样，谷歌预计经典计算机将在这个基准上不断改进，但快速增长的差距表明，量子处理器正在以双指数的速度剥离，随着量子比特数量的扩大，它将继续大大优于经典计算机。

最先进的量子计算芯片

Willow是在谷歌位于美国圣巴巴拉的最先进的新制造工厂制造的，这是世界上为数不多的为此目的从头开始建造的工厂之一。系统工程是设计和制造量子芯片的关键：芯片的所有组件，如单量子比特门和双量子比特门、量子比特复位和读出，都必须同时进行良好的设计和集成。如果任何组件延迟或两个组件不能很好地协同工作，则会降低系统性能。

因此，最大化系统性能为谷歌的工艺的各个方面提供了信息，从芯片架构和制造到栅极开发和校准。谷歌报告的成就是从整体上评估了量子计算系统，而不仅仅是一次评估一个因素。

谷歌更为关注的是质量，而不仅仅是数量——因为如果量子比特的质量不够高，仅仅生产更多的量子比特是没有帮助的。

凭借出色的低错误率和105个量子比特，Willow现在在上述两个系统基准测试中具有同类最佳的性能：量子纠错和随机电路采样。这种算法基准测试是衡量整体芯片性能的最佳方法。

其他更具体的绩效指标也很重要；例如，Willow的T1时间（衡量量子比特可以保持激发多长时间）——关键的量子计算资源——现在接近100微秒。这比谷歌上一代量子芯片提高了约5倍，令人印象深刻。

如果你想评估量子硬件并跨平台进行比较，下面这里有一个关键规格表：

△Willow在多个指标上的表现

谷歌Willow和其量子计算厂商的下一步是什么？

量子计算领域的下一个挑战，是在当今的量子芯片上展示与现实世界应用相关的第一个“有用的、超越经典的”计算。谷歌乐观地认为，Willow一代芯片可以帮助我们实现这一目标。

到目前为止，已经有两种不同类型的实验。一方面，谷歌运行了RCS基准测试，该测试针对经典计算机衡量性能，但没有已知的实际应用。另一方面，谷歌对量子系统进行了科学上有趣的模拟，这导致了新的科学发现，但仍然在经典计算机的范围内。谷歌的目标是同时做到这两点——进入经典计算机无法企及的算法领域，这些算法可用于解决现实世界中与商业相关的问题。

△随机电路采样（RCS）虽然对经典计算机来说极具挑战性，但尚未展示出实际的商业应用。

谷歌希望邀请研究人员、工程师和开发人员加入其旅程，查看其开源软件和教育资源，包括在Coursera上的新课程，开发人员可以在那里学习量子纠错的要领，并帮助我们创建可以解决未来问题的算法。

“我的同事有时会问我，为什么我离开了新兴的人工智能领域，专注于量子计算。我的答案是，两者都将被证明是我们这个时代最具变革性的技术，但先进的人工智能将从量子计算中受益匪浅。这就是为什么我把我们的实验室命名为量子人工智能。量子算法有基本的缩放定律，正如我们在RCS中看到的那样。对于许多对人工智能至关重要的基础计算任务来说，也有类似的缩放优势。”

哈特穆特·内文表示：“因此，量子计算对于收集经典机器无法访问的训练数据、训练和优化某些学习架构，以及在量子效应很重要的情况下对系统进行建模都是不可或缺的。这包括帮助我们发现新药，为电动汽车设计更高效的电池，以及加快聚变和新能源替代品的进展。许多未来改变游戏规则的应用程序在经典计算机上是不可行的。它们正等待着用量子计算解锁。”

加密货币将被破解？

目前，加密货币的安全性依赖于密码学中的数学难题，例如椭圆曲线加密和RSA加密。这些算法基于当前计算能力无法在合理时间内被破解的假设。然而，量子计算机的出现颠覆了这种假设。

量子计算机能够运行一种称为“Shor算法”的量子算法，该算法专门用于破解基于大数分解的加密技术。换句话说，广泛应用于加密货币领域的RSA和椭圆曲线加密（ECC）在量子计算机面前可能会变得脆弱不堪，这两种算法是目前许多数字资产和在线交易平台的核心安全机制，保障了用户信息的安全性。

一旦量子计算机达到足够的计算能力，它们将能够快速破解现有的加密货币系统，获取用户的私钥并控制其资产。这意味着，一旦量子计算机技术成熟，现有的加密货币网络将面临崩溃的风险，用户的资产也将不再安全。

对于谷歌Willow量子计算芯片的突破，一时间也吓坏了比特币等加密货币投资者。

当日比特币从10万美元一度跌到94150美元，最大跌幅6.25%。根据Coinglass数据显示，过去24小时共有58.3万人爆仓。除比特币外，其他加密货币也出现大跌，其中多只跌幅超10%。

然而，破解比特币的加密并非易事。根据严肃的估计，量子计算机需要多达1,500个量子比特连续工作15到20年才能破解加密货币的加密。而目前谷歌Willow 芯片仅有105个量子比特。当然如果谷歌可以将量子比特数量进一步的扩展，并且使得量子纠错能力能够保持现有水平，那么破解加密货币可能只是个时间问题。

支付平台Lightspark首席执行官大卫·马库斯(David Marcus)表示，他认为大多数人并没有“完全理解”谷歌这一突破的意义。他称，这意味着“后量子密码学和加密技术需要加速发展”。

以太坊联合创始人Vitalik Buterin此前曾表示，即使量子计算获得突破，加密货币通过硬分叉就可以在一定程度上解决这个问题，用户通过下载新的钱包软件，可以应对这一问题。但是，对于那些休眠钱包来说，将会面临巨大威胁。