Google 宣稱突破量子運算一大瓶頸

Google 表示，它已將量子運算中最有前景的紙上技巧之一，變成實際上能在晶片上運作的東西。

在週四發表於《Science》的論文中，該公司的 Quantum AI 團隊展示，一種名為魔法態培育的技術在其 Willow 處理器上將錯誤率降低約 40 倍。

讓量子電腦的建造成本更低，其意義遠超物理實驗室，因為它將它們從事有用工作（如設計藥物和新材料）的那一天提前，也將有人能破解保護銀行登入和比特幣錢包的加密的那一天提前。

量子電腦以量子位元（qubits）運作——這些量子位元能同時處於 0 與 1 的疊加態，讓它們能並行探索多種答案。它們同時也極其脆弱：一點熱或電雜訊就能翻轉一個量子位元並毀掉整個計算，這正是為何整個產業都執迷於錯誤更正（將一份資訊分散到許多量子位元上，以便捕捉並修正錯誤）。

錯誤更正能妥善處理簡單的操作，但一個真正有用的程式還需要一類更困難、無法以同樣方式保護的操作。為了執行這些操作，機器必須先製造魔法態（magic states），它們的作用就像這些操作的一次性燃料電池：每一個在使用的那一刻就被消耗掉。

產出乾淨的魔法態向來極其昂貴。根據 Google 的說法，有些估計認為這筆開銷高達量子電腦整體運算能力的 95%，只留下極少空間給實際的計算。

物理學家 Sergei Bravyi 與 Alexei Kitaev 在 2004 年提出了標準的解決方案——魔法態蒸餾，它將許多帶雜訊的魔法態濃縮成少數乾淨的魔法態。這方法可行，但需要龐大、只做這件事的量子位元「工廠」。

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2024 年，Google 研究人員提出了一條更便宜的路徑，他們稱之為 魔法態培育。這種技術不像工廠，而是像一個過濾器，將一個粗略的魔法態注入晶片的一小塊區域，然後對其運行一連串檢查，丟棄每一個檢測到缺陷的嘗試，並讓倖存者繼續成長。他們的論文甚至暗示，進一步的蒸餾「在實踐中可能永遠不需要」。

「在 Google Quantum AI 的 Willow 處理器上，我們的協定相對於未經培養的狀態，實現了非凡的 40 倍錯誤減少。而且我們獲得了邏輯保真度創紀錄達 99.99% 的 T 態，」Google 表示。

只有約 8% 的嘗試通過了每一項檢查，這意味著該晶片每 10 次嘗試中會丟棄超過 9 次，以維持一個乾淨的狀態。

培養是 Gidney 2025 年估計背後的技巧之一，該估計認為 RSA-2048 加密可以用不到一百萬個雜訊量子位元來破解，這比他在 2019 年估計的 2,000 萬個下降了 20 倍。在這項實驗之前，培養僅在理論和電腦模擬中進行過測試。

Google 在三月進一步收緊了螺絲，當時一份與 Ethereum Foundation 研究員 Justin Drake 和史丹佛密碼學家 Dan Boneh 共同撰寫的 Quantum AI 白皮書將破解 Bitcoin 橢圓曲線密碼學（阻止任何人從你的公開地址推導出你的私鑰的數學）的成本定為少於 500,000 個物理量子位元。這延續了該公司去年十月的Quantum Echoes 實驗，這是首次在真實硬體上驗證的量子加速。

沒有人正在用這個掏空錢包。該實驗最多使用了 Willow 105 個量子位元中的 54 個，而論文指出，分解一個 RSA-2048 密鑰需要錯誤率約為百億分之一的魔法態，大約比 Google 剛剛實現的乾淨一百萬倍。

Google 表示，下一步是在更大規模上運行培養。該團隊預測，將 Willow 的底層硬體雜訊減半，會將魔法態錯誤降低到約十萬分之二，因為該過程中的錯誤會隨著晶片雜訊水準的立方而縮小。