中科大校友、谷歌量子处理器总监Yu Chen详解Willow芯片突破量子控制难题

谷歌量子AI团队近日宣布，其研发的"Willow"量子芯片成功在硬件层面实现了可验证的量子优势。这项突破性成果发表于《自然》杂志，标志着量子计算领域迈向实用化的重要一步。该芯片通过运行"量子回响"算法，在控制精度与运算速度上达到全新高度，为构建容错量子计算机奠定了关键基础。

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量子计算的核心挑战在于如何精确操控量子比特而不破坏其量子态。谷歌量子处理器总监陈宇（Yu Chen）与量子硬件首席科学家米歇尔·德沃雷（Michel Devoret，2025年诺贝尔物理学奖得主）领导的团队，通过创新硬件设计与控制系统，首次在维持高保真度的同时实现了量子系统的高速操控。这一突破解决了量子计算中控制与退相干的关键矛盾。

为验证芯片性能，团队执行了复杂的"量子回响算法"实验。该算法对系统级性能、量子门精度和测量速度提出极高要求。Willow芯片在105量子比特阵列中交出亮眼数据：单量子比特门保真度达99.97%，纠缠门保真度99.88%，读出保真度99.5%，所有操作均在纳秒级时间内完成。这种高精度与高速度的结合，使实验速度较经典计算机提升13000倍，成为量子计算史上最复杂的实验之一。

实验过程中，团队完成了万亿次测量，这一数据在所有量子计算机的历史测量总量中占据显著比例。陈宇透露，Willow芯片的独特技术路线基于超导量子电路，在性能与可扩展性间实现了优异平衡，是目前构建容错量子计算机的最具潜力平台之一。

此次突破是谷歌量子AI路线图的关键进展。该路线图规划了六个里程碑，从超越经典计算到构建百万物理量子比特的大型纠错量子计算机。目前，谷歌已分别于2019年和2024年完成前两个里程碑。随着Willow芯片的发布，团队通过展示低于阈值的量子纠错能力，正稳步迈向第三里程碑——构建长寿命逻辑量子比特。

根据路线图，第三里程碑需实现千量级物理量子比特，并将逻辑量子比特错误率降至10⁻⁶。后续里程碑将逐步扩展至十万、百万量级物理量子比特，最终实现错误率低至10⁻¹³的大型纠错量子计算机。谷歌表示，尽管通往实用化量子计算机的道路仍充满挑战，但Willow芯片展现的量子比特控制能力为应对未来难题提供了强大信心。

陈宇现任谷歌量子处理器总监，本科毕业于中国科学技术大学物理学专业，后于明尼苏达大学双城分校获得凝聚态物理博士学位。2014年加入谷歌后，其学术成果被引用超过3.5万次，在量子计算领域具有广泛影响力。