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谷歌发布最强量子芯片Willow

article 2024/12/21 18:39:08

2024年12月9日，谷歌团队再创量子计算里程碑！全新量子芯片Willow，它有 105 个“量子比特”。
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Willow 在基准测试中取得了惊人的成绩：在不到 5 分钟内完成了一项标准计算。而世界上最快超级计算机要完成同样任务，则需要10亿亿亿年（10^25 年），远远超过了宇宙的年龄（138亿年）！

消息一出，连马斯克都惊叹：“Wow！”
OpenAI首席执行官Sam Altman 也送上了祝贺！

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目前主流的量子技术路线有：超导量子、离子阱量子、半导体量子点、光量子等，每种技术路线都有各自的优势和劣势。
在这些量子技术路线中最有可能商业化的技术路线就是超导量子技术！谷歌团队的全新量子芯片Willow就是使用的超导量子技术。
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一些金属冷却至极低温度后就会进入零电阻的超导状态。超导状态是一种只能用量子力学来解释的物理现象。由处于超导状态的金属制成的电子电路会呈现明显的量子性，因此通过超导电路可以实现量子比特。
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实现量子比特的超导电路主要由铝和铌等金属组成。为了让电路进入超导状态，需要将集成了超导量子比特电路和控制电路的芯片（量子芯片）冷却至极低温度（几毫开的低温），因此需要将量子芯片放入特殊的制冷机中使其正常运行。超导量子芯片原理图如下：
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超导量子计算机通常由4个部分组成：量子芯片系统、量子计算机测控系统、量子计算环境支撑系统、量子计算机操作系统。超导量子计算机示意图如下：

IBM量子计算机结构示意图如下：
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对于一些特殊的复杂的问题，如量子化学计算、复杂物理现象模拟等问题，传统计算机处理起来会非常棘手，往往需要大量的时间。然而这些问题中的一些问题恰好是量子计算机所擅长的，这些问题如果使用量子计算机处理会极大的提高处理效率。正如Willow 在不到 5 分钟内完成了一项标准计算。而世界上最快超级计算机要完成同样任务，则需要10亿亿亿年。
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超导量子芯片是超导量子计算机的核心，芯片中会集成多个超导量子比特，将量子信息编码在量子比特上，通过微波操控执行量子逻辑门操作，从而实现量子计算。超导量子芯片的关键电路元件包括：量子比特、读出腔、控制线、读取线。下图是一个5个量子比特的超导量子芯片内部电路图。
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上图中的5个量子比特的超导量子芯片的原理图如下：

约瑟夫森结超导量子芯片的量子比特是通过瑟夫森结电路实现，约瑟夫森结是由超导体（SC1）-绝缘介质薄层（insulator）-超导体组成的结构（SC2），绝缘层厚度通常在纳米量级。在约瑟夫森结两端加上电压后是不会产生电流的，因为这种结构是断路。当绝缘介质薄层（insulator）足够薄时，电子就可以在SC1和SC2之间产生隧穿，从一端流到另一端产生电流。约瑟夫森结如下图。
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