谷歌"Willow"量子处理器突破：表面码阈值下纠错与RCS基准新纪录

谷歌量子AI团队研发的105量子位"Willow"处理器实现两大突破：在随机电路采样(RCS)基准测试中完成40周期运算（经典计算机需1025年），首次在表面码(surface code)纠错中实现"盈亏平衡点"突破，距离-7逻辑量子位寿命达291μs（比物理量子位提升2.4倍），为容错量子计算奠定关键技术基础。

　　

量子计算正以惊人的速度从理论走向现实。三十年前，当Shor算法和Grover算法被提出时，量子计算还只是科学家的美好梦想。如今，随着谷歌量子AI团队最新发布的"Willow"处理器问世，人类距离实用化量子计算机又迈出关键一步。这项发表在《The Innovation》的研究，由北京量子信息科学研究院和北京Xoherence有限公司的Yirong Jin团队参与报道，揭示了量子计算领域两项里程碑式突破。

当前量子计算面临两大核心挑战：一是需要证明量子设备能实际解决经典计算机难以处理的问题，二是实现可扩展的量子纠错(QEC)方案。尽管2019年谷歌通过53量子位"Sycamore"处理器首次宣称实现"量子霸权"，但后续研究表明经典优化算法可大幅缩短模拟时间。与此同时，表面码纠错虽被理论证明是可行方案，但其物理实现始终受限于硬件性能，此前最高仅实现距离-5编码。

为解决这些问题，谷歌团队通过三项关键技术取得突破：1）采用电容拓扑调整和间隙工程技术，将量子位相干时间提升5倍；2）开发实时解码器，实现1.1μs纠错周期和63μs平均延迟；3）优化全局工作点搜索算法。这些技术进步使105量子位"Willow"处理器同时刷新两项纪录。

在随机电路采样(RCS)基准测试中，新处理器完成40周期运算仅需5分钟，等效任务在"Frontier"超级计算机上需10²⁵年。更重要的是，该研究首次实现表面码阈值下的量子纠错：

【RANDOM CIRCUIT SAMPLING BENCHMARKING】
通过扩展至105量子位架构，Willow在保持与2019年相同保真度前提下，将RCS测试深度提升至40周期。相比中科大团队同期83量子位"祖冲之3.0"的32周期结果，展现出指数级优势。

【QEC VIA SURFACE CODE】
距离-7逻辑量子位寿命达291μs，超过最佳物理量子位寿命（119μs）2.4倍，逻辑错误率呈指数抑制（系数2.14±0.02）。实时解码器在距离-5编码中持续运行超100万周期，错误抑制率保持2倍。重复码测试发现噪声基底降至10^-10，但发现每小时发生一次的30量子位级联错误现象。

研究结论表明，要实现10^-6错误率需距离-27编码（1457物理量子位）。尽管存在突发错误等未解问题，该工作首次验证表面码纠错超越盈亏平衡点的可行性，为构建实用化容错量子计算机指明方向。随着量子位数量指数增长，量子计算机有望在人工智能、材料发现、金融优化等领域带来"双指数"级加速，深刻改变人类社会发展进程。