遇事不決，量子力學。量子力學誕生距今已有 120 多年了，從光雙縫實驗（Double-slit experiment）到「薛丁格的貓」思想實驗，似乎是想像最神祕、最深奧的物理定律。美國理論物理學家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）曾說：「如果你認為了解量子力學，那你就不了解量子力學。」
即使量子力學距離我們相當遙遠，卻也快速發展：2016年中國成功發射「墨子號」量子科學實驗衛星；2022年諾貝爾物理學獎授予三位科學家，表彰他們對「量子資訊科學」研究的貢獻。
（Source：The Nobel Prize）
Google近日「量子力學」更有大動作，堪稱「里程碑」創新。
Google量子人工智慧團隊「Quantum AI」創辦人兼負責人哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）宣布推出最新量子晶片「Willow」，稱為超大型量子電腦鋪路。Willow晶片「許多指標都有最先進性能」，並「實現兩項重大成就」：
- 增加「量子位元」使用數量（105 個），並「成倍」減少錯誤。
- 不到5分鐘就完成最新「隨機電路採樣」（RCS）基準測試。
要理解以上突破性成就，必須先了解量子電腦／量子晶片的原理。
量子力學核心概念之一是「疊加」，即一個量子系統可同時有多種狀態，量子電腦正是利用疊加性質創建「量子位元」（Qubits），這是量子資訊的基本單位。
與古典電腦二進位位元（Classic Bits）不同，量子位元可同時處於0和1的「疊加態」，故量子電腦能同時處理多項計算或狀態，解決某些複雜問題時比經典電腦更快更有效率。
此外，量子位元間還有稱為「量子糾纏」的特殊關係：當量子位元相互糾纏，無論距離多遠，量子位元之一狀態會立即影響另一個量子位元，此時我們就可根據某量子位元狀態得知另一量子位元狀態，達到訊息傳遞目的。這特性使量子電腦處理複雜問題時更有效共享傳遞資訊。
然而，量子位元狀態非常脆弱，容易受外在環境（溫度、振動、電磁等）干擾，導致量子資訊遺失，稱為「量子去相干」（Quantum decoherence）。由於糾纏，錯誤可能會從一個量子位元傳至其他量子位元，影響運算能力。因量子位元傾向與環境快速交換訊息，導致計算所需資訊很難保護。通常一台量子電腦的量子位元越多，錯誤就越多，整個系統就更偏古典系統。
但發文稱Google研究員引入新「量子糾錯」法，能使Willow晶片量子位元越多，錯誤反而減少，且是指數級下降。這歷史性成就稱為「低於閾值」（below threshold），即增加量子位元數時也減少錯誤。文章強調自彼得·肖爾（Peter Shor）1995年引入量子糾錯後，這一直是極其困難的挑戰。
因此「低於閾值」能展現「糾錯的真正進展」，Willow是第一個低於閾值的系統，代表建造超大型量子電腦的可能性。論文刊登於《Nature》期刊。
（Source：影片截圖）
Willow在5分內完成量子電腦最難的經典基準測試隨機電路採樣（RCS），並Willow的最新結果是「迄今最佳」。世界運算速度最快超級電腦要10²⁵年才能算完RCS，甚至超過宇宙的年齡（約138億年）。
隨機電路採樣（Random Circuit Sampling，RCS）測試是評估量子電腦效能的方法，核心是利用量子電腦執行隨機選擇的量子閘操作，產生隨機量子態，然後取樣測量量子態。RCS最早是由此文團隊提出，稱現在是「該領域的通用標準」。
（Source：Google）
2019年Google就宣稱其量子處理器「Sycamore」僅用3分鐘就完成當時超級電腦一萬年才能完成的計算，還說團隊已取得「量子霸權」。IBM對Sycamore結果提出異議，「量子霸權」一詞也引起不小爭議，儘管Google強調只是「藝術術語」。後來Google盡量避免用這個字，只說已實現「超越經典計算」。
IBM和霍尼韋爾（HoneyWell）量子力學研究一般用「量子體積」（Quantum Volume）描述量化量子電腦設備，Google卻完全不用。缺乏統一標準，導致競品難比較以求進步。
文章也表示，量子技術收集AI訓練資料、發展新能源汽車和發現新藥方面都有用武之地。展望Google量子力學下個目標：完成既「與實際程式相關」，又是「經典電腦無法實現」的計算，真正做到「有用」並「超越經典」。
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