Google Willow 与“魔态”
Google Willow 首次演示魔态“培育”:错误减少约 40 倍,保真度达 99.99%。本文解释什么是魔态,以及它会带来什么改变。
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10月15日,Google Quantum AI 团队在 Google 博客上介绍,一种名为 magic state cultivation(即魔态“培育”)的方法首次在 Google Willow 处理器上实际运行成功。研究结果发表在《Science》期刊上。
Google Willow 具体展示了什么?
根据 Google Quantum AI 的 Emma Rosenfeld 和 Craig Gidney 的文章,这种方法带来了:
- 与未经“培育”制备的魔态相比,错误减少约 40 倍,
- T 态(魔态的一种)达到 99.99% 的逻辑保真度,团队称这是一项纪录,
- 迈向 Google 目标架构的第一步:量子态从距离 3 的颜色码转移到距离 5 的表面码。
据 Decrypt 报道,实验最多使用了 Willow 105 个量子比特中的 54 个。
那么,“魔态”到底是什么?
带纠错的量子计算机执行一部分简单操作的成本相当低,但要实现通用计算,还需要那些“困难”的操作。其中一种办法是提前准备特殊的辅助态,也就是魔态。这个名字的由来是:正是它们让计算能够突破普通计算机可以模拟的边界。
问题在于,魔态既昂贵又是一次性的:每个魔态只能消耗一次。根据 Google 引用的估算,制备魔态可能占用量子计算机高达 95% 的算力。团队写道,这个瓶颈早在 2004 年就已被预见,大约 20 年来人们一直在寻找拓宽它的方法。
魔态“培育”是怎么运作的?
这一理论由 Craig Gidney、Noah Shutty 和 Cody Jones 在 2024 年的论文《Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates》中提出。它的工作方式像一个过滤器:
- 在芯片的一小块区域中引入一个含噪声的量子态,
- 一系列协调的测量检查它是否有错误,并丢弃失败的尝试,
- 存活下来的量子态被“培育”,也就是逐步扩展成非常纯净的形式,然后可以转移到更大的码中。
有意思的是,从理论到硬件的路并不平坦。据 Google 介绍,Emma Rosenfeld 实验的最初数据“似乎违反了物理定律”。经过几个月的工作,团队才发现问题出在他们一直沿用的测量方法中的一个错误假设上。ScienceAlert 写道,这个问题最终靠一种名为“kickback tomography”的新技术解决。
有没有什么代价?
过滤是有代价的。在最严格的运行中,只有约 8% 的尝试被保留下来,其余都被丢弃。把量子态转移到更大的码中也会引入新的错误,团队还需要解决这个问题。
Google 自己也强调,这种方法需要在更大规模上得到验证,才能在实际计算中派上用场。Decrypt 提醒,要破解 RSA-2048,需要错误率约为百亿分之一的魔态,也就是比这次实验纯净大约一百万倍。所以“Q-day”还很遥远。
这对密码学意味着什么?
目前影响不大。Project Eleven 的 Alex Pruden 对 The Block 表示,这一结果不一定会改变对 Q-day 的预测,因为此前的资源估算已经假设会使用这项技术。在他看来,这次实验更像是证实了这些假设,因此现有预测变得更可信。Castle Island Ventures 的 Nic Carter 则认为“没有直接威胁”。
这是最近几天量子领域的又一项重大成果。不久前我写过 Claude 如何设计出门数最多减少到 1/17 的量子电路。更好的电路和更便宜的魔态是同一个问题的两面:如何在有限的硬件上装下有用的计算。
FAQ
Google Willow 是什么?
它是 Google Quantum AI 的量子处理器。在魔态培育实验中,最多使用了它 105 个量子比特中的 54 个。
Google Willow 现在能破解加密吗?
不能。破解 RSA-2048 需要比这次实验纯净约一百万倍的魔态,以及大得多的机器。