最近，量子板块的股票市场呈现出异常火爆的景象，其中包含了格尔软件、浙江东方、达华智能等公司的股票，部分甚至触碰涨停。这背后的推手正是科技巨头谷歌公司近日的一条重磅消息——全新研发的量子计算芯片Willow出现了重大的技术突破，量子领域的错误率问题得到了此前无法想象的改善。Willow芯片的出现，无疑代表着一次技术进步的里程碑，其处理能力之惊人，能在短短五分钟内完成超级计算机需要10^25年才能完成的任务。
高达10^25年的差距，让大众仿佛感受到了时间与空间被重新定义一般，这几乎是一个宇宙寿命的尺度。因此，有质疑声音认为Willow芯片或许只是如元宇宙与区块链似的炒作。然而，作为全球性的科技巨头，谷歌公布这样的成绩必然有其依据，Willow芯片无与伦比的计算能力是传统计算机所不能比拟的。当然，这样的能力也伴随着相应的成本和挑战。
计算的未来：量子时代的到来
对于多数人而言，每一次工业革命背后的技术总是难以捉摸，尤其是信息技术的兴起，更是让计算机如何运作成了一门黑匣子。在过去，我们的计算机基于二进制逻辑，0和1是二进制计算的基础。所有信息的显示和数据的计算，都是通过无数次选择这两个状态来确定的。
对于普通用户来说，处理的信息量越大，所需的计算时间也相应越长。当处理更多的信息时，无论是数字转换还是处理，都需要更长的处理时间。而量子计算机之所以计算速度远远超过传统计算机，就是因为其突破了这种线性计算的方式，基于量子位（量子比特）实现计算。量子比特所具有的叠加状态，使得一个二位寄存器能够同时具有四种状态，这种叠加和纠缠特性，赋予了量子计算机强大的并行计算能力。
这种量子叠加状态非常敏感，极易受到外部环境的干扰而坍缩。量子数越多，出错的概率也越高，这要求量子计算机必须在接近绝对零度的环境中工作以避免热影响。谷歌通过将编码格从3×3扩展到5×5，再到7×7，并将信息分布到其他量子比特进行校正，大幅降低了量子芯片的错误率，Willow能在量子纠错和随机电路采样测试中保持优异的性能。
然而，量子计算机的超计算能力背后是高昂的成本。The Verge在2017年购买的D-Wave 2000Q量子计算机价格高达1500万美元。尽管现在成本有所下降，但如IBM等企业所提供的量子计算机及其配套服务的报价仍处于千万美元水平，因此量子计算机的商业化进程相对缓慢。
中国企业的跃进，阿里的缺憾
在国际市场上的火热竞争之外，中国企业并未缺席。特别是在量子计算领域，它们取得了不俗的成就和技术突破，将此视作一次重要的机会。2024年数字科技生态大会期间，中电信量子信息科技集团推出了基于中国科学院研发的“骁鸿”量子计算芯片的天衍504量子计算机，其量子比特数高达504个，是目前全国领先的计算芯片。此外，该集团还推出了天衍24、天衍176等多种型号量子计算机，天衍176的双比特门错误率已降低到了2%以内。
安徽省量子计算工程研究中心和量子计算安徽省重点实验室也推出了“悟空芯”量子计算芯片，它有72个工作量子比特和126个耦合量子比特。这些公司可能在互联网上缺乏知名度，但这并不代表它们在量子计算领域上的实力不足。
在互联网巨头中，华为早在2020年就申请了一项名为“量子计算方法及设备”的专利，迈出了进军量子计算领域的步伐。字节跳动也不甘落后，在2021年开始积极招聘量子计算机研究人员，进行量子计算的布局。不过，这两个企业的量子计算机仍在研发阶段，尚未有更多实质性的消息披露。
在这些巨头中，阿里巴巴就略显遗憾了。它在一年前关闭了达摩院量子实验室，并将研究设备捐赠给了浙大。阿里巴巴的量子实验室存在已有十年，但却未能持续下去，从而解散，这反映了研究量子计算芯片的风险。谷歌如今在量子计算芯片领域取得了进步，不晓得阿里巴巴当年参与量子计算的技术人员对此有何感想呢？
量子芯片与AI的未来
谷歌在X平台宣布量子计算芯片Willow后，立刻引起轰动和评价。像特斯拉CEO马斯克这样的行业大佬都对其表示认可，设想将来可能会利用SpaceX公司，在太空中构建量子计算集群，为了解决电力问题还需要建立大量太阳能设施。OpenAI的CEO Sam Altman向谷歌CEO Sundar Pichai表达了祝贺，并有公司建议OpenAI与谷歌合作，用Willow芯片训练人工智能。
显然，AI作为量子芯片的理想应用场景，因为这需要极大的算力。到2023年底，中国数据中心的标准机架超过了810万架，总算力达到了230EFlpos，是2023年的三倍，其中智能算力规模为70EFlops，增长了超过70%。然而目前的算力基础设施都还基于传统计算模式，从长远看可能仍无法满足AI的需求。AI大模型的训练过程中，极容易受到错误数据的影响，而量子芯片本身的错误率也可能会影响到AI大模型训练和推理的精确度。
当然，马斯克预计的太空量子计算机群看起来目前还不太可能实现，因为散热问题尚未得到很好的解决。虽然外太空温度低，但没有介质用来散热。量子计算机容易发热，其功能还极易受温度影响，因此在地球构建低温环境更便利，火箭的运输力、安全性等因素都令太空环境的建设变得困难。
综合来看，量子计算芯片很可能继续成为AI大模型训练和推理的最佳场景。鉴于成本和工作环境等因素，量子计算芯片可能不能在短期内快速产生价值，这还需要国内外企业持续研究，降低错误率和成本，并打造相应的量子计算生态。
马斯克的想法可能在可见的未来中很难现实，但科技的进步说不准，在不远的将来SpaceX或许有能力将量子计算集群送入太空。在此之前，如马斯克所说，需要大规模建设太阳能设备，以备太空量子计算集群的供电需求。
对于中国芯片企业来说，量子计算时代的到来可能意味着新机遇的到来。随着芯片工艺逐步进入瓶颈期，以往的算力提升将会遭遇限制，量子计算可能会成为行业的新突破口。国内半导体技术落后可能成为历史，因为量子计算依赖于低温制程和超导技术，并不依赖于光刻和蚀刻技术，理论上生产难度更低。这也给国内芯片企业打开了新的可能性。
中国AI行业正在蓬勃发展，对于芯片的需求量也不断增加。华为、字节跳动等企业的参与，可能也是基于研发用于AI大模型训练和推理的量子计算芯片，以降低自身的芯片采购成本，甚至可以提供给其他AI企业。在未来5到10年内，我们或有望看到量子计算芯片从实验室走向数据中心，实现商业化。毫无疑问，这个行业的未来发展值得期待，谷歌所取得的这一成就给整个产业打了一剂强心针。
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