文 观察者网心智观察所
2026年10月15日, Google量子人工智能实验室这边, 有一桩事情被正式宣告解决了。这个事情呢, 是全球物理学界的一块硬骨头。它一直卡在那里, 整整二十年的时间都没有搞明白。现在, Google的研究团队在《科学》杂志上发表了最新的成果。
他们宣布, 在一个叫做Willow的超新一代超导量子芯片上面, 做到了一个叫“魔术态培养”的事情。这个新玩意儿的名字听起来挺玄乎, 但它实际上是一种全新的量子纠错技术。这项技术的执行结果, 是让那些关键性的量子操作的错误率有了大幅度的降低, 减少的倍数大约是四十倍。
同时呢, 核心的量子态的保真度, 是直接飙升到了百分之九十九点九九那么高。要是把对通用量子计算的追求, 比喻成去制造一艘能够飞向深空的星际飞船的话。
那么在过去的这二十年时间里头, 这艘飞船所使用的载重中有多于百分之九十的部分, 都是被强制用来装载沿途的那些效率极度低下的燃料制造设备的。而 Google 进行的这次最新的实验, 则是完完全全地打破了这一种对算力形成了严重束缚的、致命枷锁一样的存在。
二十年难解的燃料危机
在过去这20年的时间里, 有一种被称作魔术态的物理状态存在。这种状态让科学家们感到极度困扰。科学家们因此寝食难安。他们一直在思考为何会面临这样的境况。
量子计算机所使用的东西是量子比特, 这种量子比特可以同时处在0和1的状态, 这种状态在咱们平时的说法里叫叠加态, 然后把很多个量子比特连在一起, 让它们发生一种叫做量子纠缠的连接关系机器能够计算的状态的总量就会突然一下子变大, 变得非常大, 这种变大的速度是按照指数级这样的方式增长的, 因此这种机器就具备了在一个非常短的时间之内去探索非常多非常多的维度的那种潜力。
量子比特这个家伙, 其实是极其脆弱的, 简直是不堪一击的那种脆弱。你只要有一点微弱的电压在那里抖动, 哪怕是一点点抖, 都会导致那非常脆弱的量子信息, 瞬间就溃散掉了, 这样一来, 计算错误就这么发生了。
为了解决这一个棘手的问题, 物理学家们在很早以前, 也就是在上世纪90年代的时候, 就想出了一个办法, 提出了所谓的量子纠错理论。这个理论具体是怎么说的呢?
简单来说, 就是你要用几十个, 甚至可能是上百个那些真正物理上存在的量子比特在一起协同工作, 进行编码操作, 目的就是为了保护那一个真正是用来做数学题运算的逻辑量子比特。
很快, 科学家就面对一堵高墙。在量子纠错领域, 存在一类量子逻辑门, 这些门和纠错体系特别合拍, 它们被称为Clifford门集合。这类门的操作规则很整齐, 所以它们很容易在量子纠错码的保护下平稳运行，出错的机会比较容易控制。
理论物理学家早在1998年的时候, 就已经证明过一条定理。这条定理是说, 对于那种只由Clifford门组成的量子电路来说, 现在的经典超级计算机能够在合理的一段时间段之内, 十分轻松地模拟出它的计算过程。在这种情况下, 量子计算的优越性就展现不出来了。
想要真正解锁通用量子计算的神力, 去破解那些传统超算需要花费上百亿年才能解开的复杂分子模拟问题或者新型材料设计问题或者是复杂优化问题是很有难度的。为此, 量子计算机必须至少引入一种非经典的操作。通常情况下, 人们会选定T逻辑门作为这个操作的具体方式。
不过呢, 考虑到T逻辑门本身具有的那种非常特别的数学结构方面的事物, 所以它并不能直接在现有的那些主流纠错码体系里头进行无差别地、顺畅无阻地运行操作, 如果非要采取强行施加纠错处理的这种做法的话, 那么很有可能会直接导致出现那些非常严重的、具有破坏性后果的错误信息广泛传播现象。
基于此, 理论物理学家在2004年提出了一个迂回的解决方案。具体来说, 既然很难直接在主计算电路里执行T逻辑门, 那么不妨在旁边专门制备一种单量子比特辅助状态。
接着, 再借助标准的纠错门以及量子纠错操作, 将这种独特状态里面所包含的特殊性质进行转录, 这个过程有点像输血一样把属性给予正在计算的量子比特。最终, 这样就间接实现了T逻辑门的相关效果。
这种状态是一种特殊的状况, 它能够给整个系统把灵魂给它注入进去, 所以这一点非常特殊, 而物理学家就针对这个特殊情况, 给它起了一个名字, 这个名字听起来是充满了幻想的那个色彩的颜色色彩的, 然后叫作魔术态。
魔术态让人看到了以前从来没有过的希望, 紧接着就出现了燃料危机。因为魔术态是特别贵重的那种一次性消耗东西。主电路只要做了一次重要的复杂运算, 就得立刻把所有的那个魔术态都打碎、用光。
要跑一个在实际工厂里用得上的那种复杂的容错算法, 通常得一直不断地用完几个百万到几万亿那么好品质的魔术态, 数量是非常大。
在长达20年的时间里, 科学界制造合格魔术态的标准手段, 这个手段叫做魔术态蒸馏。这个名字形象地概括了它的本质。因为使用硬件所制造出来的原始魔术态, 它充满有噪音, 质量也比较粗糙。
所以量子计算机必须动用15个, 甚至是数十个粗糙的魔术态。这些魔术态通过复杂的逻辑网络彼此相互检验。最终牺牲掉绝大部分辅助比特。最后极其艰难地萃取出一滴纯度尚可的合格品。
为了能够持续不断地给这些属于一次性消耗品的物料提供补给, 在量子计算机的架构蓝图上, 就必须特意留出那个地方, 用来建设占地面积宏大得有些夸张的魔术态制造工厂。
一台能够达到可实际运行状态的、具备容错能力的量子计算机, 它那整个机身里头百分之九十甚至百分之九十五的那种被珍视为宝贵资源的物理比特, 都得被安排成日夜不停地全天候处于工作状态, 以此来完成对魔术态进行提纯蒸馏这一项作业内容。
而真正被分配下来用于直接处理用户所发出的数据信息、并负责去求解那些实际存在于科学领域中的疑难问题的核心区域部分, 仅仅只余下了极小的一块面积, 多一点都不剩。这台机器, 本来应该是用来改变计算能力分配格局的神级设备。但是它没有走出实验室, 还没有开始使用。它就背负着一个包袱。这个包袱有多重呢?
它占了自重百分之九十五那么多。这个包袱就成了一个阻碍。这个阻碍阻挡了容错的量子计算走向实际应用的时间长度长达二十多年。所以, 它是核心阻碍。
从化工厂提炼到微型温室种植
2024年, 火种被Google量子人工智能团队的软件工程师重新点燃, 他们从早期纠错理论的零星线索中汲取养分, 推翻了过去的固有思路, 在理论上构想出了一套被称为魔术态培养的轻量化方案。
有人如果把传统魔术态蒸馏比作一座占地面积非常巨大的化工厂, 这种比喻需要调集海量的原料采用像大水漫灌一样的方法进行多层提炼的话, 那么另一种情况就是魔术态培养, 这种做法其实就是在方寸之间打理一座微型温室。
科研人员只要在一个芯片表面非常小的那个区域里, 注射进去一个充满了物理噪声的那种不太平整的初始魔力状态, 并且这个初步的状态会被安置到一种叫做色码的东西里面去, 这种东西算是一种比较紧凑的一种纠错建设结构, 而这个色码方面则拥有特别鲜明的那种几何方面的对称特点, 所以这就使得研究者们可以在那种尺寸非常微小的逻辑单元空间里面, 把全部的那些量子小颗粒一起进行那种非常高精度的协同性状态检测工作。
这个微型温室配备了一套严苛的品控体系。在初始注入之后, 控制系统马上对这个幼态去执行那个高度协调的双重校验循环。它会对编码状态里面的数学特征进行非常精准的探测。
要是检测到哪怕是一点点小的物理翻转错误。那么这个幼苗就会被系统直接丢弃掉, 并且要求在当场重新来过。只有那些通过了严格考核的健康量子态。它们才可以获准留在温室里面继续生长下去。
随后, 系统通过控制脉冲, 让树苗更换更大的花盆, 逐步将这个高纯度量子态扩容生长到具备更高容错码距的纠错保护结构之中, 整个过程在芯片极小的局部内展开, 虽然经历了严苛的连续多轮筛查, 导致最终能顺利存活的比例仅仅只有8%左右, 超过90%的情况都会半途中止, 但是超导量子系统的物理运行频率极高, 每秒钟都可以重复进行数千万次的尝试。
因此的话, 系统是在那个微秒级别的时间窗口范围之内, 就能源源不断地产生出经过过滤之后的魔法状态。这套方案的好处是能够省去传统蒸馏方式下面临的非常庞大的而且极其复杂的辅助设备电路。
同时它还能够把要达到相同纯度的时候所需要的物理硬件的资源数量减少一个数量级。原本占据了芯片百分之九十五面积的那个非常沉重的负担, 也因此而很有可能彻底地被卸载掉。
违背物理定律的神秘噪音与实验破局
在2024年这个年份的年底阶段之际, Google这家公司官方且正式地推出了它自己当前最新研制出来的一款处理器, 这个处理器的名字叫做Willow, 并且它是一个拥有105个量子比特的超导类型的处理器。
这一款具体的芯片产品主要是采用的这种全新的制造工艺技术工艺来打造的, 使得其中的量子比特所具备的这种相干时间能够大幅度地出现一次向上的提升, 最终上升到了100微秒这样的水平上, 与此同时该芯片的整体所有区域内部全都展现出了那种具有指数级别特征的纠错能力表现, 并且这些表现是直接超越了物理阈值的。
正是因为有了这款会称为Willow的处理器存在之后, 那些原本只存在于书本或者是设计图中的理论蓝图才能够得以一步步地走向现实的、真实的物理世界之中去得到体现或者实现。
实验的推进过程并不是很顺利, 研究人员首先把精心编写的魔术态培养控制脉冲写入了Willow处理器的低温稀释制冷机里面, 数据显示出来的量子态响应曲线非常怪异, 而且在数学逻辑上面甚至违背了量子力学的基本物理定律。
当数据出现违反基本规律的情况的时候, 往往就只存在两种可能性, 要么就是出现了人们完全不了解的全新微观未知规律, 要么就是测量工具本身存在着某些看不到的盲区。
整个团队开始了长达数月的跨学科闭关排查工作, 经过长时间的努力之后, 真相终于慢慢地浮出了水面, 大家发现, 在靠近绝对零度的那种极端环境里, 放置在日常常温机柜中的电子控制设备的芯片外部部分, 是不可避免地会遭到日常物理扰动的影响的, 这些扰动包括了环境的微弱温度升降, 也包括电源的细微漂移等情况。
那种长达周期、频率低得离谱的电磁漂移, 在日常之中大家都会觉得它根本不算什么事儿, 可是等到我们去量那个非常微小的逻辑保真度的时候, 它就从边上渗进来了, 导致最后拿出来的数字不对头了, 就这样子就弄出了一个特别荒唐的结果。
在面对这种来自于系统的干扰的时候, 团队做出了非常大胆的革新动作。他们果断地放弃了那些特别容易被噪声给带偏了的、传统的那种测量基准。并且, 他们转而发明了一种全新的工具, 这个工具的名字叫反冲层析成像技术。
这项新发明的做法, 是直接把刚刚实现的、那种可以容错的培养机制, 拿来当成一个高精度的自我检验的标尺使用。这就相当于自己给自己当法官一样。
Google团队的成员们顺手之间, 就把量子精密测量这一块的全新的行业标杆给建立起来了。等到那个校准完毕后的真实数据最终出现在了屏幕上的时候, 整个团队的人都爆发出了非常热烈的掌声。
具体来说, 那在Willow处理器上面运作的话, 经过培养处理之后的魔术态所对应的逻辑错误率, 是相比于那个没有经过培养、直接就被注入进去的初始状态而言的, 这一数字足足降低了整整40倍的幅度。再就是其最终所展示出来的那个逻辑保真度的数值, 是达到了99.99%这样一个惊人高的水平。
这意味着, 在真实的物理芯片上面, 每尝试制备1万个合格的魔术态的话, 那么仅仅只有1个是可能携带有残留的瑕疵的。这个指标是长期停留在理论预言当中的, 而这个指标首次在人类所制造的超导芯片上面变成了真切的现实。
跨越鸿沟的移花接木与未来版图
在超导量子芯片那个微观的空间里, 想要成功地把纯净的魔术态给孵化出来, 这仅仅只是完成了万里长征的第一步。而对于实际要进行的计算任务来看, 这些被孵化的魔术态, 还必须能够顺顺利利地离开培育它们的地方, 也就是脱离出那个苗圃一样的环境, 并且平平安安地到达主要的计算所在的区域。
在当前主流的、面向全球范围的容错量子计算架构里, 如果要问哪种方案是用于存储和保护大规模计算数据的最优方案, 那么答案并不是用来培养幼苗的色码, 而是纠错表现更为成熟的表面码。
这是因为高品质魔术态如果只能困在色码那个狭小的天地里面进行某种程度上的自我娱乐, 无法同主流的表面码这个大环境形成兼容关系的话, 这项技术就依然面临着一个现实问题, 那就是难以融入真实的计算场景之中。
Google的团队在这个项目里同时解决了那个被叫做码间嫁接的高难度技术, 实验的时候, 团队搞成功了一件大事, 把在Willow芯片上刚刚长好的魔术态, 从那种码距只有3的紧凑色码结构里, 平平稳稳又一点没损失地, 转移到了码距为5的那个成熟了的表面码结构里面去。
这项操作如果在微观层面里面去看的话, 那跟心脏搭桥手术其实是一模一样的。因为不同的纠错码, 它们里面的拓扑几何规则是完全不一样的, 有一点点的偏差, 就会在处理两套编码交接的那个一瞬间, 把微观层面的叠加态给撕裂掉。
但是Google团队他们利用了Willow芯片上面高自由度的可调耦合器网络, 还有那个纳秒级的波形控制能力, 就让那些非常脆弱的量子信息, 能够完好无损地跨过不同纠错协议之间的那个大鸿沟。
这个实验把事情给弄清楚了, 它证明了魔术态这种培养方法是可行的, 而且这种方法能够直接与现在就已经有的大规模量子计算体系接上头, 同时也能够和将来出现的大规模量子计算体系实现无缝对接。
这个经历了长达20年时间周期才实现的突破, 把整个量子信息资源估算的模型给重新塑造了。
在过去的这20年里面, 学术界在评估需要多大的量子硬件规模才能破解密码学难题或者模拟工业固氮酶反应的时候, 算出来的数字动不动就是好几百万个物理量子比特, 这就导致实际应用场景真正能够落地的时间线被推到了那种让人觉得远得不可触及的未来位置。
如今, 在Willow处理器上得到的真实数据给出了一种全新的解决路径。错误率出现了40倍的缩减情况, 保真度达到了99.99%这样极高的水平, 这就直接证明了人类完全有可能在物理开销极小的条件下, 就地生产出高质量的算力燃料。
那些以往被看作是绝对刚需的多级蒸馏流水线, 现在是可以跳过去不用的。原本臃肿的机器架构, 经历了大幅精简, 使得建造一台真正的, 具备实用价值的商业容错量子计算机时, 所需的硬件门槛得到明显降低, 因此, 量子计算机的到来时刻, 又被提前了好大一段距离。
