谷歌这次玩大了？Willow芯片用“时间倒放”算法成功模拟分子，让量子计算不再是实验室玩具，首次展现出改变药物和材料科学的潜力｜量子计算 谷歌 量子突破 实际应用 医学应用

10 月 26

Luke FanGoogle的故事 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 谷歌这次玩大了？Willow芯片用“时间倒放”算法成功模拟分子，让量子计算不再是实验室玩具，首次展现出改变药物和材料科学的潜力｜量子计算 谷歌 量子突破 实际应用 医学应用已关闭评论

谷歌的Willow量子芯片又有了新突破，听我给大家讲一讲它到底干了什么。

大家好，欢迎收听老范讲故事的YouTube频道。今天呢，准备挑战一下自己的极限，尽量用通俗易懂的语言，将Willow量子芯片的成果跟大家讲个热闹。注意，咱们是讲个热闹，如果您就是研究量子计算的，不要上我这来较真。

今天呢，咱们讲几块：第一个，这东西到底长啥样？第二个，Willow和今年的诺贝尔物理学奖到底是什么关系？第三个，这一次具体做了点什么？第四个，这一次的意义在哪里？第五个，中国量子计算机跑到什么地方了？

首先，这个机器到底长什么样呢？其实没有公开的照片。现在大家能够看到的照片，就是很多管子一层一层叠下，其实是外边的一个巨大的冰箱。当然，你说管这玩意叫冰箱呢，我觉得是侮辱了这个制冷器，因为它要比冰箱强大很多，但是它工作的原理就是制冷。这个东西呢，叫稀释分层制冷器。稀释呢，就是我把一个浓盐水稀释成稀盐水。分层的意思是什么？就是上面呢比较热，一层一层地把这个热量传递出去，越往下呢它越冷，所以它是一个叫分层制冷器。

那么这个东西怎么制冷的呢？它不像咱们的冰箱似的，冰箱是有制冷剂，它实际上是一个物理过程，要把这个热量吸走，再把气态的这些制冷剂呢，送到外边这个压缩机里，重新把它压缩，因为压缩就要散发热量，再把这热量散掉，然后再把它循环起来。而今天我们看到的这个很科幻的、叫稀释分层制冷器呢，它的制冷原理是使用氦3和氦4的吸热循环过程。什么意思呢？就是氦呢有两个同位素。咱们大部分的氦实际上是氦4，就是两个质子、两个中子，它的原子量是4，所以这东西叫氦4。这个东西呢，其实相对来说还是比较容易获得的，在LNG制备过程中的一个副产品，就是咱们去做那个液化天然气的时候，它就会产生一点点氦4。那氦3呢，实际上是氦的一个同位素，就是它有两个质子，但是呢只有一个中子。这个玩意呢就比较费劲了，它是要到核反应堆里边去制备，等于拿氦4制备以后呢，就可以得到氦3。

在很低的温度下，氦3跟氦4呢都是液体，它们叫氦池，氦3在上面，氦4在底下。氦3呢有一部分呢，就会融入到氦4里边去，在这个过程中呢把热量吸走，它是这样来工作的。制冷剂嘛，总要循环。你再把这个已经融入了一部分氦3的这些氦4呢，放到旁边的一个小罐里，再稍微加热一下，因为氦3的沸点呢，是相对来说比较容易达到，所以氦3就直接挥发掉了，氦4留下来了。然后呢，把挥发掉的氦3重新再去压缩，把这个氦4再重新塞回到池子里去，它就等于做这样的一个循环。这东西呢，其实也不是特别贵，就看着说的很复杂。一台机器的话，大概是50万到200万美金之间，大概是跟功率和你到底提供多少氦3有关。刚才咱们讲氦4比较容易得到，氦3是一个相对来说比较难搞的东西。通常的每台机器里头会给几十升，有的会给上百升氦3。氦3大概一升是两三千美金吧，也不是特别昂贵的一个东西。功率呢也不是很高，这个东西几千瓦。这就是现在我们看到的Willow外边这个大冰柜，或者叫制冷剂，它的一个基本情况。

Willow呢，是在低温超导环境下进行量子计算的。那么Willow跟今年的诺贝尔物理学奖有什么关系？今年的诺贝尔物理学奖呢，颁给了一个叫量子隧穿的技术，就是我们可以把一些量子在赋予一定的能量之后，让它穿越到物质的另一侧去。今年得奖的这些人呢，有一个是原来Willow实验室的老大，还有一个是现在还在Willow实验室，所以呢今年物理学奖就是Willow芯片的一个底层逻辑得奖了。这个里边有一个东西叫约瑟夫森结，也就是当你给这个电子加到一定能量以后，他就会穿越这个约瑟夫森节，去模拟一个电子跃迁的过程。那你说光有电子直接跃迁不就完事了吗？那你观察不到。你必须要有更多的粒子结合在一起，让它穿越这个约瑟夫森结，模拟电子跃迁的这个过程，我们才可以去观察到。

所以呢，Willow这个芯片里头呢，是有很多很多的这种超导电路，每一个超导电路里头模拟一个原子。具体这个原子到底是碳原子、还是氢原子还是什么原子，这个不重要。模拟的方式呢，就是当我有很多的能量进去的时候，这些电子是可以跃迁的，原子呢也可以进行自旋。这个Willow里头有门，叫单门和双门，这是它真正干活的一个主要的东西。什么叫单门？就是这有一个电路，里头模拟了一个电子，有能量进去，就会通过约瑟夫森杰，去模拟这种能量跃迁一个过程。这就是一个单门，里头一个原子。什么是双门呢？就是俩原子中间有一个小门，这个门呢如果打开了，这两个原子之间的运动状态就会相互影响。比如说这边是怎么转呢，你打开了以后，另外一个就会跟着一起转，或者是有一些能量就会传递过去，这玩意叫双门。现在的Willow呢，可以准确的开关这些双门，就是Willow可以干活的一个关键了。所以呢，它是低温超导，可以过滤掉原子振动的这些杂波。你如果没有超低温的话，你旁边这些设备的原子就开始振动了，你就没法去观察。所以这个结果呢，必须在低温超导下才可以去阅读。这就是它到底长什么样，以及这个东西跟今年的诺贝尔物理学奖到底有什么关系。

那么这一次到底做了什么呢？每一次呢，咱们去解释量子芯片工作原理的时候，都要去讲一个东西，叫高尔顿钉板。这个东西是什么呢？就是有一大堆钉子，这个小球从上头开始往下掉，每过一层你会碰到一个钉子，每过一层碰到一个钉。碰到钉子以后呢，你有50%的几率向左，有50%的几率向右。很多层钉板以后，底下有一个槽，你到底是落在哪个槽里头？他是这样的一个东西。那你说这玩意有什么难的呀？但是你每一次扔下一个球去以后，然后计算在哪一个槽里掉落的这个几率有多少，这个玩意你要用普通的计算机去算，你到底掉多少层，哪一层的几率是什么样，这个很麻烦。但是你如果用量子计算机去算，你就相对来说容易一点。他干嘛呢？我就别算了，直接往下扔吧，扔完了以后到底下去数不就完了吗？

正常的高尔顿钉板，你没有任何人去干扰他的情况下，扔下去的结果是什么呢？一定是一个钟形，这样的一个形状，越往中间下落的这个比例越高，越往边上比例越低。但如果有人去干预了，中间我碰了他一下，或者是哪个地方我去拨了他一把，在这种情况下的话，你这个钟型就会跟原来有差异，然后我去进行比较。所以好多的量子计算的算法就是这样的，就是我们直接把量子扔出去，然后到那头去数数，我看看结果是什么样的，我就不用再去设计好逻辑去算概率什么，就不用费这劲了。你直接跑就完了。

那么这一次，谷歌做的是一个什么东西呢？它叫乱序时间相关器，叫out of time order correlator，OTOC就这样的一个简称。别研究这个东西什么意思，我也不去跟大家具体讲。我们先让一个系统让它转起来，就是这一个芯片上，有这么多的量子位，它们相互之间开始影响了。刚才我也讲了，它是很多个模拟原子，它们之间开始发生影响，开始运动起来了。它在这个时候呢，拨动其中一个，实际上怎么拨动？就是通过外边的微波呀去照射呀，或者去影响其中的某一个特定的原子，然后让这个原子发生了一些的运动，然后把整个的过程记录下来，再去进行倒放。说现在我们重新倒序地把这个过程重新放一遍。他们做两次，一次呢是你拨了这个原子的，一次是你没拨的。然后他拿俩数去对比，对比完了以后得到一个结果。乱序时间相关器，大概是干这么个活。

那你说这个到底是干嘛使的呢？或者说有没有形象一点的案例？有。这个相当于什么呢？咱们煮了一锅汤。这锅汤呢一开始是白水，我们在这边下盐、下醋、下酱油、下猪肘子、下葱花、下料酒，反正炖出一锅猪肘子吧。他有办法可以经过精确的观察，把这个下料的过程以及这个料里边的一些味觉的元素扩散的过程都记下来，还可以倒放。下一次呢，我们酱油从生抽换成老抽，我们再观察一次，然后再把这两个倒放的结果呢，去比较看一下，生抽跟老抽在里边到底有什么区别。大概就干这么个活。所以呢，这个量子计算，它并不是我们平时去算什么1+1=2，或者2*2=4，不是算这东西。它算的是什么呢？一般都是说我们要设计一个物理实验，设计完物理实验以后呢，去进行观察，看看这数到底是多少，然后呢我们去验证这个结果对不对，再去得到最终的结果。这是一般的量子计算机干活的一个原理。

继续讲前面那高尔顿钉板。现在等于是我可以把小球扔下去了，一把小球都扔下去，看看形成钟型的这个过程是什么样的，然后倒放回来，把里头每一个细节都记录下来。再往后再往下扔小球的时候，我中间对其中的某一个小球或者某一些元素进行了改变，得到了一个不是完美钟形的结果，然后再倒放，然后把两个倒放的去比较，就看看你这个改变到底是怎么影响最底下这个钟的。他基本上这一次就干了这么个活。

那你说这样的系统能不能编程呢？这个是谷歌做的一个很大的贡献，它这个系统是可以编程的。因为它有门嘛，它这个门是可以开可以关的，所以可以编程。但是呢，编程并没有那么简单，不是说我直接像在计算机一样，我写了个程序，把这参数改了一下，然后命令编译执行就完事了，不是这么简单的。因为呢，它是一个设计实验的过程。所以呢，我们可以编说这个门哪什么时候开，什么时候关，怎么快速地开，怎么快速地关，我们要去设计。这个数据是如何回收的，以及呢数据是如何进行验证的，把这些东西都调试完了以后，才可以去做下一个算法。所以呢，你用Willow这样的芯片去换一个算法的话，大概也需要几周甚至几个月的时间。因为你需要在里头调很多很多的细节，这个门到底是怎么开的怎么关的，我发现这个数据被污染没法用了，我再换一个方式。甚至有的时候你可能还写不出来，我怎么着也没法去收集到稳定可辨识的这个数据出来，我每次算出来数都不一样，那你就没法整。

那么这一次实验的意义到底在什么地方呢？咱们讲了半天说Willow很厉害。第一个，就是他的结果可验证。这个对于量子计算来说，是非常非常难的。什么叫结果可验证？大家还记得原来岳云鹏有一个段子吗？他说我这人数学特别好，算的可快了。人家就问他那73*58等于几？他说等于79。人家说对吗？这怎么可能等于79呢？他说你别管对不对，你就问快不快吧。原来的量子计算呢，就属于这样的一个状态。它每次都给你算一数来，而且每次数还都不一样，飞快飞快就给你得到结论了，因为你最后是观察出来的结果嘛。但是你不知道对不对，你没法验证这个东西。

那么现在呢，谷歌说我可以验证了。去年12月份他们就有了一种验证方法，就是我把很多个量子比特结合在一起，做成一个逻辑比特，以后他每一次的结果是可验证的。我记得当时他们是把49个量子比特做成一个的逻辑比特，去进行可验证的，就是计算结果的一个回收。这一次的实验也是可以验证。用谷歌的这个Willow，你去反复多少次，他这个结果是一致的。你要用其他的不同结构的量子芯片，你去算这个东西，它的结果也是一致的。即使是用传统的计算机去算，它号称是比传统的现在最强的这种超算快13,000倍，但是呢他们也是可以进行相应的检验，就是这个结果是对的。这是非常非常难的。2019年谷歌在喊量子霸权的时候，量子计算机的那个计算结果还是不可观测，或者说不可验证的。现在已经可以验证你得到的结果是正确的了。

第二个重大意义是什么呢？就是这一次的实验，它是有实际意义。以前的所有量子计算机的实验，都是一些抽象的数学问题，在现实工程中是没有意义的。那么这一次它有什么意义呢？他们这一次拿了一些化学的这种分子，直接去进行观察了。他们这次呢，用的叫二甲基联苯的一个分子，先做核磁得到一个核磁光谱，然后呢用芯片里边去模拟这些分子上的这些原子，去做这个两个苯环之间的扭转角度到底有什么样的变化，他来做这样的一个实验。做完了以后呢，再对这个结果去进行核磁共振的验证，说我做了这样的一个互动以后，光谱就应该发生什么样的变化。然后我们再对真实的二甲基联苯也做同样的处理，在芯片里头是模拟了一个原子，我对它进行了一个触动，在这个分子里头，我就直接找微波去照射那个原子，不就完了吗？或者我找一些能量数去照射这个原子，我对它赋能了。然后我们看看这个苯环发生了一些什么样的变化，发生变化了以后，你这个核磁光谱就会发生变化。然后他对两个进行验证，发现对上了，我们计算的结果是正确的。在这样的一个结果出来以后的话，那么应用的方式大家也就能想明白了：药物以及材料学领域，它就已经有被应用的可能性了。

那你说这个东西是不是马上就可以改变我们生活了呢？还有点距离。因为现在的Willow有一个很大的问题，比较难以攻克，是什么？就是规模。它现在里边也就是100多个量子比特，你说我想再扩大到几万个，或者是这个几千个，这非常非常难。因为咱们前头讲那冰箱，那个冰箱做起来也很费劲。你把这么多的设备搁在一起以后，再让它去稳定的运行，还能够观测到不受干扰的结果出来，目前呢谷歌还在努力往前走。所以呢，我们如果真的想让它去实际起作用，还要稍微的再等几年。

再往后呢是，中国的量子计算机发展成什么样了？咱每次讲完老外的，咱得讲讲咱自己的。咱们呢叫九章算术，九章3号现在已经做出来了。咱们的这个路径呢，跟谷歌这不太一样，咱们呢是使用的叫光学量子计算机，谷歌呢叫超导门型量子计算机。那咱们这个光学量子计算机呢，现在优点是什么？就是咱们在常温里头就可以干活了，你不需要把它送到低温超导里头去。当然你最后读那个数据的时候，还需要低温，但是不像他那么要求严格。而且呢，光子天然就可以抗衡跑偏，这块呢要比他那个强。因为他是模拟了一个原子嘛，所以呢很适合做量子通讯以及专用的一些采样。所以这个是我们比较强的。我们现在呢，应该是做了一些波色子采样的一些实验，也就是验证了量子计算呢，是可以使用的。但是呢，具体实际应用，我们现在还都没做出来。

但是这个光学的也有缺点。第一是光子损耗很大，单光子源以及探测的效果呢，是受影响的。可编程大规模集成是非常非常困难。现在我们使用的通过这种分光器，通过物理的方式来去干活的，它不像谷歌那个东西，它有门，你可以控制它开门关门，咱们呢现在还没有办法来做这个事情。所以现在呢，我们是可以叫采样演示，就这边干完活，那边我可以把数读出来了。但是呢，离彻底的纠错，因为你不纠错，这事只是算的快，离彻底的纠错和实际应用呢，还有一定的距离。

谷歌的这种超导门型计算机呢，它的优点是门控通用性强，您可以开门关门，可以写程序，而且呢跟纠错的这个算法天然匹配。产业链包括制冷、控制电子、工艺也相对来说比较成熟了。但是它的缺点是什么呢？就是超低温基础设施和制造的良品率、抗干扰泄漏，这些都是需要攻克的。他怎么扩张到百万级的物理单元里头去？这个呢，对于工程上都有挑战。所以现在甭管是他们这条路，还是咱们这条路，想要真正达到实用，还是要再等一等。当然现在谷歌这个还是要比咱们更领先。那领先嘛，好办。中国人也不是不会造冰箱。所以国内呢，现在也有几个大厂在去造这种西式分级制冷器，咱们现在也能造。而且你想咱们是LNG也都有，也买美国的，咱自己也能造出来。咱们也有一大堆的核电站，所以甭管是氦3还是氦4呢，咱们都是可以有能力制备的。这块国内应该有四五个吧，甚至更多一些造这个制冷机的公司。咱们的很多的科研院所也开始在复建谷歌这条路。

最后总结一下吧。量子计算呢正在向我们走来，也在做实用性的探索。这一次呢就是第一次实用性探索。距离应用呢虽然还有差距，但是我觉得应该离我们不是特别遥远了。

最后呢，我也给自己了一个挑战，研究了一上午，尽可能用通俗的方式呢跟大家讲解，至少让大家听个热闹，不会说听完了以后，听了一脑子，最后啥也没听明白，尽量让大家有一些稍微形象一点的认知吧。

好，这个故事就跟大家讲到这里，感谢大家收听。请帮忙点赞、点小铃铛、参加DISCORD讨论群。也欢迎有兴趣、有能力的朋友加入我们的付费频道。再见。

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