近期，谷歌发布了一款量子芯片Willow，这款芯片在多项指标中均有了重大突破，甚至解决了量子纠错领域近30年来一直试图攻克的关键难题。不过目前该芯片仍然处于实验室阶段，距离商业应用还需要时间。
与此同时，中国在量子科技领域，不少国内机构及相关企业也在稳步推进中，部分成果已经领先于全球。目前量子科技领域，中美之间的竞争仍处于焦灼状态，在各个领域互有胜负。
谷歌发布超强量子芯片Willow，跨越容错难题
谷歌在近期发布了一款拥有105个物理量子比特的量子芯片Willow，得益于更多的物理量子，该芯片具备惊人的计算速度和错误校正能力。
据相关报道，Willow可以在不到5分钟的时间内完成一个标准计算任务。这项计算任务即便交由目前全球最快的超级计算机，位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，拥有1.742 EFlop/s（百亿亿次浮点运算）的Rmax算力的El Capitan，需要10^25年，这已经远远超过宇宙诞生的时间。
而之所以量子芯片能够实现如此高速运算，原因在于量子比特遵循量子力学原理。不同于经典比特只能处于0或1的状态，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。打个比方，10个经典比特只能表示一个10位的二进制数，而10个量子比特可以同时表示2^10个状态，即1024种可能性。而Willow芯片微105个量子比特，意味着可以同时表示2^105个状态，这甚至比撒哈拉沙漠中的沙子数量还多。
当量子比特数量增加到一定程度时，其能够表示的状态数量会呈指数级增长，远超过经典比特所能表示的数量。这使得量子芯片在处理信息时具有天然的并行性，能够同时处理大量的计算任务，从而大大提高计算速度。
此外，Willow的另一个突破，是成指数级减少了错误率的能力。通常随着量子比特数量的增加，错误率也会成指数增长，但Willow通过先进的量子纠错能力，实现了错误率的指数级降低。
报道显示，每当晶格从3x3增加到5x5，再到7x7时，编码错误率就会以2.14的倍率降低。这项技术破解了计算领域近30年来的难题，跨越了量子纠错的关键阈值。证明了通过增加量子比特数量来降低错误率是可行的，为未来构建更大规模、更可靠的量子计算机奠定了基础。
要知道量子比特在处于叠加态时，非常容易受到环境因素的干扰，如温度、电磁场、宇宙射线等，从而导致量子态的退相干，使叠加态信息丢失或错误，进而影响计算结果。因此在过去很长一段时间的研究中，研究员们发现，随着量子比特的增多，错误也在呈指数级上升。
但量子比特太少，没有实际意义，甚至运算上还比不过超算，而量子比特增多，又会遇到计算错误的问题。谷歌依靠表面码作为其量子纠错技术通过将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，构建了两层网格结构，一层是数据量子比特，另一层用于间接测量错误并帮助纠正，让更多的量子比特成为可能，对量子计算有重大意义。
中美量子科技同属第一梯队，但商用时间还早
与此同时，作为全球与美国在量子科技同属第一梯队的中国，近些年来中国科学技术大学等多个单位的科研团队均在量子计算领域有所布局。
2019年和2020年，美国和中国相继推出量子计算原型机“悬铃木”和“九章”，实现了“量子优越性”，其中“九章”使用的是光量子技术路线。
到了近期，由中国科学家研制的105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机相关成果在arXiv线上发表。数据表明，“祖冲之三号”的性能超过2024年10月谷歌发表的72比特Sycamore处理器6个数量级，为目前超导量子计算的最强优越性。
目前“祖冲之三号”与Willow，两者的各项性能指标达到了同一量级，“祖冲之三号”实现了超导量子计算的最强优越性，而Willow在纠错上获得了重大进展。据业内人士透露，经过20余年的努力，我国量子科技领域整体已经实现了从跟跑、并跑到部分领跑的飞跃。
从市场来看，据ICVTA&K的预测，全球2023年量子产业的总体市场规模或达到72.4亿美元，到2030年，全球量子产业市场规模或可达到2391亿美元，复合年增长率高达65%。
同时，有专家表示，目前量子计算主要分为超导、光量子、离子阱、半导体等路线，而我国在超导和光量子领域有优势，均已实现量子优越性。包括谷歌的Willow与我国的“祖冲之三号”均为超导路线，但超导体需要在毫开尔文的低温环境下运行，设备体积庞大且成本高昂，限制了其在日常场景中的部署。
而光量子路线则是目前唯一没有明显短板的方向，具备可室温运行、芯片化和兼容人工智能的优势。并且光量子芯片制造可使用成熟的CMOS工艺，无需依赖国外高端光刻机和制程工艺。
今年9月，上海交大无锡光子芯片研究院光子芯片中试线建成启用，该中试线总面积3.5万平方米，总投入6.5亿元，具有98台CMOS工艺设备和CIM芯片智能制造系统，设备配套齐全，形成自主可控的工艺闭环。预计2025年第一季度，将发布PDK工艺设计包。
尽管如此，从实际来看，目前的量子芯片仍然处于初级阶段，量子比特数量仍然在百位级左右，想要解决复杂实际问题需要上百万的纠错量子比特。
至于何时能够让量子计算进行大规模商业化，可能还需要10-20年时间，不过在一些特定领域，例如量子化学模拟、加密破解等，可能会在未来的5-10年内出现实用化的特定解决方案。
写在最后
目前来看，尽管中美对于量子计算的研究已经较为深入，但真正商用还有一段距离。据人民日报报道，目前量子计算发展可以大致分为三步，第一步是实现“量子计算优越性”，目前中美均已达到，第二步是研制专用的量子模拟机，第三部则是在量子纠错的辅助下研制可编程通用量子计算机。
据专家介绍，我国刚进入到第二阶段，科学家们正在致力于构建专用量子模拟机，期望在未来3-5年时间，能够解决一些具有实际应用价值的关键问题。例如复杂计算难题的求解，甚至哥德巴赫猜想等纯数学理论问题也有望会因量子计算的强大能力而取得突破。
此外，在物理、化学、生物学等基础科学研究中，量子计算能够模拟复杂的量子系统和化学反应过程，帮助科学家更好地理解物质的本质和相互作用。进一步实现在高精度测量、信息安全、新药研发、医学检测、新材料应用等领域的快速突破。
