谷歌量子计算重磅突破登上Nature：首次实现可验证量子优势，比最快超算快13000倍

谷歌量子AI首席科学家前几天刚获得诺贝尔物理学奖，今天谷歌量子AI团队又整了一个大的

就在刚刚，谷歌量子AI团队宣布了一项里程碑式的算法突破，其“Willow”量子芯片成功运行了“量子回声”（Quantum Echoes）算法，首次在硬件上实现了可验证的量子优势

这项研究刚刚发表于《自然》杂志

结果显示，在执行特定任务时，该量子计算机的表现超越了目前最快的经典超级计算机，速度快了13000倍。这一进展能够计算分子结构，为量子计算在医药、材料科学等领域的真实世界应用铺平了道路

这是量子计算发展史上的一个关键时刻，标志着量子计算机从理论和实验探索，向成为解决实际问题的实用工具迈出了重要一步。

此次突破建立在谷歌过去数年研究成果之上。2019年，谷歌证明了量子计算机能解决顶尖超算耗时数千年才能完成的问题。2024年末，新一代Willow量子芯片展示了如何显著抑制错误，解决了困扰科学家近30年的重大难题。

而今天，这一成就将我们更近一步地带向量子计算机驱动重大科学发现的未来

突破了什么？

谷歌团队用一个比喻来形容这次突破的精度：

想象一下在海底寻找一艘沉船。声呐技术或许能告诉你那里有一个模糊的轮廓，确认“那儿有艘沉船”。但假如你不仅能找到船，还能清晰地读出船体上的铭牌呢？

这正是Willow量子芯片所实现的空前精度

通过运行称为“量子回声”的乱序时间相关器（OTOC）算法，谷歌团队展示了首个可在硬件上运行并实现可验证量子优势的算法

“量子回声”算法在探索自然界系统结构方面极具潜力，从分子、磁体到黑洞的研究都能受益。实验证明，在Willow芯片上运行该算法，比在世界最快的超级计算机之一上运行经典算法要快13000倍

此外，在一项独立的原理验证实验中，团队展示了这项新技术（一个“分子尺”）如何利用核磁共振（NMR）数据，测量比现有方法更长的分子距离，从而获得更丰富的化学结构信息

“量子回声”：一种可验证的量子优势

这是历史上第一次，任何量子计算机成功运行了一个能够超越超级计算机并且结果可被验证的算法

“量子可验证性”意味着，计算结果可以在谷歌的量子计算机或任何其他同等级别的量子计算机上重复运行，并得到相同的答案，从而确认结果的准确性。这种可重复、超越经典的计算能力，是实现可扩展验证的基础，也使量子计算机距离成为实用工具更近了一步

这项新技术的工作原理类似于一个高度先进的回声定位系统

研究人员向量子系统（Willow芯片上的量子比特）发送一个精心设计的信号，扰动其中一个量子比特，然后精确地逆转信号的演化过程，并“聆听”返回的“回声”

这个量子回声的特殊之处在于，它通过“相长干涉”（constructive interference）现象得到放大——量子波叠加后变得更强。这使得测量过程具备极高的灵敏度

下图展示了在105量子比特阵列上创建量子回声的四步过程：

1. 1. 运行一系列前向操作。

2. 2. 扰动一个量子比特。

3. 3. 运行反向操作。

4. 4. 测量结果。

信号的重叠程度揭示了扰动如何在Willow芯片上传播

“量子回声”算法的实现，得益于Willow芯片在量子硬件上的巨大进步。该算法模拟的是一个物理实验，因此不仅考验系统的复杂性，也对最终计算的精度提出了极高要求

为了同时实现高精度和高复杂性，硬件必须具备两个关键特性：极低的错误率和高速的运算能力。

走向真实世界应用

量子计算机将在模拟量子力学现象中扮演关键角色，例如原子和粒子的相互作用以及分子的结构（或形状）

核磁共振（NMR）是科学家用来理解化学结构的工具之一，它与核磁共振成像（MRI）技术背后的科学原理相同。NMR就像一个分子显微镜，能帮助我们看到原子的相对位置，从而理解分子结构。对分子形状和动态的精确建模是化学、生物学和材料科学的基础，其进展将推动从生物技术到太阳能、乃至核聚变等领域的发展。

在一项与加州大学伯克利分校合作的原理验证实验中，团队在Willow芯片上运行了“量子回声”算法，研究了两种分子（一个含15个原子，另一个含28个原子）以验证该方法

结果显示，量子计算机的计算结果与传统NMR相符，并且揭示了一些通常无法从NMR中获得的信息。这是对该方法有效性的关键验证

正如望远镜和显微镜为人类打开了前所未见的宏观与微观世界，这项实验是朝着开发一种“量子显微镜”迈出的一步，它有能力测量以前无法观测到的自然现象。量子计算增强的NMR技术，未来可能成为药物研发的强大工具，帮助确定潜在药物如何与其靶点结合；或在材料科学中用于表征新材料（如聚合物、电池组件）的分子结构

加州大学伯克利分校化学系助理教授、谷歌量子AI合作者Ashok Ajoy表示：

“核磁共振（NMR）——作为MRI的光谱学近亲——通过探测原子中心的微小磁‘自旋’来揭示分子结构。谷歌的量子回声算法展示了量子计算机高效建模并揭示这些自旋间复杂相互作用的潜力，甚至可能跨越长距离。随着量子计算的不断成熟，这类方法将能增强NMR光谱学技术，为其强大的工具箱增添新功能，助力药物发现和先进材料设计。”

通过“量子回声”算法首次实现可验证的量子优势，标志着量子计算朝着首批真实世界应用迈出了重要一步。

随着团队朝着全尺寸、可纠错的量子计算机方向扩展，预计未来将有更多此类有用的真实世界应用被开发出来。目前，团队的焦点是实现其量子硬件路线图上的“里程碑3”——一个长寿命的逻辑量子比特

参考：

https://blog.google/technology/research/quantum-echoes-willow-verifiable-quantum-advantage/