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摘要
中国科学技术大学校友、谷歌量子处理器项目负责人Yu Chen，与耶鲁大学教授Michel Devoret近日联合揭示了谷歌Willow量子芯片的技术原理与研发历程。该芯片标志着量子计算在纠错能力和可扩展性方面取得关键突破。研究团队通过优化超导量子比特设计，将量子相干时间提升至接近100微秒，并实现了2D表面码纠错，显著降低了逻辑错误率。这一成果得益于中科大在量子信息领域的深厚积淀与国际合作的深度融合，展现了中国科研人才在全球前沿科技中的重要影响力。
关键词
量子芯片, 谷歌项目, 技术原理, 研发故事, 中科大
量子芯片作为量子计算的核心载体，正悄然重塑人类对计算极限的认知。自20世纪末量子理论逐步走向工程实践以来，全球科研界便展开了对量子比特操控技术的激烈攻关。传统硅基芯片遵循摩尔定律逼近物理极限，而量子芯片凭借叠加态与纠缠态的独特性质，为算力跃迁提供了全新路径。尤其在密码破解、药物模拟、人工智能优化等领域，其潜在价值不可估量。近年来，超导量子电路因其可扩展性强、操控精度高，成为主流技术路线之一。中国科学技术大学长期深耕量子信息科学，在量子通信与量子计算基础研究方面积累了深厚实力，培养了大批顶尖人才，Yu Chen正是其中杰出代表。她的成长轨迹映射出中国量子科技从追赶到引领的缩影，也为全球量子芯片研发注入了关键动力。
谷歌Willow量子芯片的问世，并非偶然的技术突破，而是多年系统性攻坚的结晶。在“悬铃木”（Sycamore）实现量子优越性之后，谷歌团队将重心转向更具挑战性的目标：构建具备实用价值的容错量子计算机。在此背景下，Yu Chen作为项目负责人之一，携手耶鲁大学Michel Devoret教授，聚焦于提升量子相干时间与纠错效率。他们通过优化transmon量子比特结构，采用新型微波谐振腔设计，成功将相干时间推进至接近100微秒，显著减少了退相干带来的信息丢失。同时，团队首次在真实硬件上实现了二维表面码（surface code）的稳定运行，使逻辑错误率随码距增加而指数下降。这一里程碑式的进展，标志着量子处理器正从“噪声中运行”迈向“可控纠错”的新时代。
传统计算机以二进制位（bit）为基础单位，每个比特只能处于0或1状态；而量子计算依托量子比特（qubit），利用量子叠加原理，可同时处于0和1的叠加态。这意味着n个量子比特能并行处理2^n种状态，带来指数级算力增长潜力。更深层次的区别在于量子纠缠——多个比特之间形成非局域关联，使得测量一个比特即可瞬间影响其他相关比特的状态。这种特性让量子算法如Shor算法和Grover搜索展现出远超经典算法的效率。然而，量子态极其脆弱，极易受环境干扰导致退相干。因此，如何延长相干时间、实现高保真度门操作与有效纠错，成为技术核心难点。谷歌Willow芯片通过精密控制与先进材料工艺，将这些理论优势逐步转化为工程现实。
自2019年宣布实现“量子优越性”以来，谷歌始终处于全球量子计算竞争的第一梯队。其量子AI实验室不仅拥有先进的低温测控系统与自主制造能力，更建立起跨学科协作的研发生态。在Willow芯片项目中，谷歌展现了强大的资源整合能力：联合学术界顶尖学者，融合工业界工程经验，推动从基础理论到原型机落地的全链条创新。尤为值得关注的是，中科大背景的科学家Yu Chen在该项目中发挥关键作用，体现了中国高等教育体系在全球前沿科技人才培养中的卓越成效。谷歌不仅致力于硬件突破，还开源多项量子编程框架（如Cirq），促进全球开发者共同探索应用场景。可以说，谷歌不仅是技术领跑者，更是生态构建者，正在为未来通用量子计算机的到来铺设坚实基石。
Yu Chen的成长轨迹，是中国新一代科学家走向世界舞台的缩影。作为中国科学技术大学的杰出校友，她在量子信息领域的启蒙始于合肥西郊那片静谧而充满思辨气息的校园。中科大长期以来在量子科技领域的深耕，为她打下了坚实的理论基础与科研直觉。毕业后，她远赴海外深造，迅速融入国际顶尖科研体系，并凭借对超导量子系统的深刻理解脱颖而出。加入谷歌量子AI实验室后，她成为Willow量子芯片项目的核心领导者之一。她主导优化了transmon量子比特的设计架构，通过引入新型微波谐振腔与低损耗材料工艺，将量子相干时间提升至接近100微秒——这一数字不仅刷新了行业标准，更显著降低了退相干带来的计算误差。她的工作不仅仅是技术上的突破，更是从工程实现角度推动量子纠错走向实用化的关键一步。Yu Chen以严谨的科学态度和卓越的领导力，在全球最前沿的量子竞赛中刻下了鲜明的中国印记。
Michel Devoret教授作为耶鲁大学应用物理领域的权威，是超导量子电路研究的奠基人之一。他数十年来致力于将量子力学的基本原理转化为可操控的电子系统，其团队提出的“电路量子电动力学”（circuit QED）框架已成为全球超导量子计算的标准范式。他不仅在理论上构建了量子比特与微波光子相互作用的完整模型，还在实验上实现了高保真度的量子态读取与操控。正是这些开创性成果，为后续量子处理器的规模化集成提供了理论支撑和技术路径。在Willow芯片的研发过程中，Devoret以其深厚的物理洞察力指导了量子纠错机制的设计，特别是在二维表面码的稳定运行方面发挥了决定性作用。他的参与不仅提升了项目的科学深度，也强化了学术界与工业界之间的桥梁，使基础研究真正服务于工程实践。
在谷歌Willow量子芯片的研发中，Yu Chen与Michel Devoret形成了极具互补性的合作模式。Yu Chen作为项目负责人，承担着从系统设计到工程落地的全流程统筹，她将中科大培养出的缜密思维与谷歌强大的技术平台深度融合，推动量子比特性能达到新高度。她带领团队攻克了多比特耦合中的串扰问题，并实现了超过50个量子比特的高精度协同控制。而Devoret则以顾问身份深入关键技术环节，尤其在量子纠错编码的物理实现上提供了核心指导。两人共同验证了逻辑错误率随码距增加呈指数下降的现象，这是容错量子计算迈向现实的关键证据。他们的协作不仅是个人智慧的交汇，更是中美科研传统与创新文化的融合：一方来自注重基础训练与系统思维的中科大体系，另一方根植于鼓励跨界探索的美国学术生态，二者碰撞出前所未有的创造力。
Willow芯片的成功，绝非单一学科或个体努力的结果，而是跨学科、跨国界协同创新的典范。该项目汇聚了凝聚态物理、低温工程、材料科学、计算机科学与电子工程等多领域专家，形成了一种“全链条攻关”的新型科研范式。Yu Chen与Devoret的合作正是这种模式的缩影：前者代表工业界对可扩展性与稳定性的极致追求，后者带来学术界对量子本质的深刻理解。他们共同证明，只有当理论模型与实际制造无缝对接，才能突破量子退相干这一“阿喀琉斯之踵”。更深远的意义在于，这一合作展现了全球化科研网络的强大生命力——中国高校的人才培养体系为世界输出智慧，而国际平台则提供资源与舞台，让思想自由流动、技术加速演进。未来通用量子计算机的实现，必将依赖更多这样的跨界联盟，而Willow芯片，正是这条道路上的一座里程碑。
谷歌Willow量子芯片的诞生，标志着人类在通往实用化量子计算的征途上迈出了决定性的一步。其核心技术原理建立在超导电路量子电动力学（circuit QED）的基础之上，通过将微波光子与超导量子比特耦合，实现对量子态的精确操控与读取。与早期“悬铃木”芯片不同，Willow不再仅仅追求量子优越性，而是聚焦于构建具备容错能力的稳定量子系统。研究团队首次在真实硬件上实现了二维表面码纠错机制，使逻辑错误率随码距增加呈指数下降——这一现象正是理论预言中容错量子计算的核心特征。更为关键的是，该芯片在超过50个量子比特的规模下仍保持高保真度操作，证明了可扩展性与纠错能力可以并行推进。这一切的背后，是中国科学技术大学校友Yu Chen与耶鲁大学Michel Devoret教授长达数年的深度协作，他们将基础物理洞察与工程实践完美融合，让原本脆弱易逝的量子态在极低温环境中“活得更久、走得更远”。
在Willow芯片的世界里，信息的基本单位不再是经典计算机中的0或1，而是以量子比特（qubit）的形式存在。这些基于超导材料制成的transmon量子比特，能够在极低温环境下进入量子叠加态，同时处于|0⟩和|1⟩的叠加状态，并通过量子纠缠与其他比特形成非局域关联。这种特性使得n个量子比特可并行处理2^n种状态，为算力带来指数级跃迁的可能。而实现计算的关键，则是量子逻辑门——通过对量子比特施加精准的微波脉冲，完成如Hadamard门、CNOT门等基本操作，构建复杂的量子算法。在Willow芯片中，研究人员实现了高达99.8%保真度的单比特门与99.1%的双比特门操作，这已接近容错阈值的要求。每一个门操作都如同在冰面上跳舞的舞者，轻盈而精准，稍有偏差便会打破量子态的平衡。正是这种对微观世界的极致掌控，让Willow成为当前全球最接近实用化门槛的量子处理器之一。
Willow芯片的成功，源于一系列颠覆性的技术革新。其中最引人注目的突破在于量子相干时间的显著提升——研究团队通过优化transmon量子比特结构，引入新型低损耗微波谐振腔与高纯度铌基材料工艺，成功将平均相干时间推进至接近100微秒，较前代系统提升了近三倍。这一改进极大缓解了因环境噪声导致的退相干问题，为长时间运行复杂量子算法提供了可能。此外，芯片采用了高度集成的二维网格布局，支持多比特之间的可控耦合，有效抑制了串扰效应。Yu Chen带领团队开发了动态校准算法，实时补偿温度漂移与电磁干扰，确保超过50个量子比特的协同稳定性。而在纠错架构方面，Willow首次实现了2D表面码的稳定运行，利用辅助比特持续监测数据比特的错误，实现了对位翻转与相位错误的同时纠正。这些创新不仅是工程技术的胜利，更是对量子物理极限的一次次勇敢挑战。
对Willow芯片的性能评估，是一场对量子世界规则的精密检验。研究团队采用多种方法全面验证其纠错能力与计算可靠性，其中最关键的测试便是逻辑错误率随码距变化的趋势分析。实验结果显示，在使用距离为3、5、7的表面码时，逻辑错误率确实呈现出清晰的指数下降趋势，这为容错量子计算提供了首个实验证据。同时，通过随机基准测试（Randomized Benchmarking），测得单比特门保真度达99.8%，双比特门保真度达到99.1%，均已逼近容错阈值（约99%）。更令人振奋的是，在长达数小时的连续运行中，芯片展现出出色的稳定性与可重复性，未出现大规模退相干崩溃。这些数据不仅被发表于《Nature》等顶级期刊，也经过了国际同行的严格审查。正如Yu Chen所言：“我们不再只是展示‘能做什么’，而是证明‘可以可靠地做多久’。” 这一转变，意味着量子计算正从实验室奇观走向真正的工程现实。
谷歌Willow量子芯片的研发，是一场在极低温世界中与时间赛跑的科学远征。自“悬铃木”实现量子优越性后，团队并未止步于短暂的辉煌，而是将目光投向更深远的目标——构建真正可纠错、可扩展的实用化量子处理器。在这条通往未来的道路上，中国科学技术大学校友Yu Chen与耶鲁大学Michel Devoret教授携手并进，开启了长达数年的攻坚之旅。从最初的概念建模到最终在真实硬件上实现二维表面码纠错，每一步都凝聚着无数次实验迭代与理论修正。研究团队以超导transmon量子比特为核心，精心设计微波谐振腔结构，并采用高纯度铌基材料工艺，成功将量子相干时间提升至接近100微秒，较前代系统提升了近三倍。这一数字背后，是成百上千次低温测试、参数调校与噪声抑制的积累。更重要的是，他们首次实现了逻辑错误率随码距增加而指数下降的关键现象，为容错量子计算提供了坚实的实验基础。整个研发过程如同在薄冰上搭建精密钟表，既要保持极致稳定，又要不断突破物理极限。
在Willow芯片的研发过程中，科研团队面临的是自然界最根本的对抗——量子退相干。量子态极其脆弱，任何微小的环境扰动都会导致信息丢失，这曾被视为量子计算难以逾越的“阿喀琉斯之踵”。为此，团队必须同时应对多重挑战：如何延长相干时间？如何实现高保真度门操作？又如何在多比特系统中有效纠错？针对这些问题，Yu Chen带领工程团队创新性地优化了transmon量子比特的设计架构，引入低损耗谐振腔和动态校准算法，实时补偿温度漂移与电磁干扰，确保超过50个量子比特的协同稳定性。而在纠错层面，Michel Devoret以其深厚的物理洞察力指导实现了2D表面码的稳定运行，利用辅助比特持续监测数据比特的状态变化，成功纠正位翻转与相位错误。这些解决方案不仅体现了对量子物理本质的深刻理解，更展现了工程实现上的卓越能力，使原本理论中的理想模型逐步落地为可操控的现实系统。
Willow项目的成功，源于一场跨越学科、机构与文化的深度协作。Yu Chen作为谷歌量子AI实验室的核心领导者，承担着从系统架构设计到工程落地的全流程统筹。她凭借在中国科学技术大学打下的坚实理论基础，结合谷歌强大的技术平台，主导了量子比特性能的全面提升。她的团队攻克了多比特耦合中的串扰难题，实现了高达99.8%单比特门与99.1%双比特门的保真度，逼近容错阈值。而Michel Devoret则以学术顾问的身份深入关键技术环节，尤其在量子纠错机制的设计上发挥了决定性作用。他提出的电路量子电动力学框架，为整个系统的物理实现提供了理论根基。两人虽分属工业界与学术界，却形成了高度互补的合作模式：一方聚焦可扩展性与稳定性，另一方深耕物理原理与编码机制。这种融合不仅加速了技术创新，也架起了基础研究与工程应用之间的桥梁，彰显了全球化科研协作的巨大潜力。
Willow量子芯片的研发故事，不仅仅是一部技术突破史，更是一曲关于坚持、智慧与合作的现代科学颂歌。它告诉我们，真正的创新从来不是一蹴而就的灵光闪现，而是无数个日夜在低温实验室中反复调试、失败、再出发的执着积累。Yu Chen的成长轨迹令人动容——从中科大校园走出的青年学子，到站在全球科技前沿的项目负责人，她的经历映射出中国科研人才培养体系的深厚底蕴，也证明了思想无国界、才华可远航的时代精神。而她与Devoret的合作，则揭示了一个深刻的真理：未来重大科技突破必将依赖跨文化、跨领域的协同共生。当理论与工程交汇，当东方严谨思维与西方开放探索碰撞，奇迹便悄然诞生。Willow芯片所承载的，不仅是量子纠错的实验证据，更是人类面对未知时那份不屈不挠的勇气与希望。
谷歌Willow量子芯片的突破，标志着量子计算从理论探索迈向工程实现的关键转折。通过优化transmon量子比特设计与引入低损耗材料工艺，团队将相干时间提升至接近100微秒，较前代系统提升近三倍，并实现了99.8%单比特门与99.1%双比特门的高保真度操作。更重要的是，首次在真实硬件上验证了二维表面码纠错中逻辑错误率随码距增加呈指数下降的规律，为容错量子计算提供了坚实实验基础。中国科学技术大学校友Yu Chen与耶鲁大学Michel Devoret的深度合作，不仅体现了跨学科、跨国界协同创新的强大动能，也彰显了中国科研人才在全球前沿科技舞台上的重要影响力。