比经典超算快13000倍，谷歌芯片实现量子计算新突破

谷歌当地时间周三在《自然》杂志披露与Willow芯片相关的量子计算突破性研究成果。该公司称这是历史上首次证明量子计算机可在硬件上成功运行一项可验证算法，其性能甚至超越了最快的经典超级计算机（速度快 13000 倍）。

Willow是谷歌于去年12月宣布推出的量子芯片。当时，Willow量子芯片在5分钟内完成了一项传统超级计算机需要“10的25次方”年的时间才能完成的标准基准计算任务。而此次谷歌披露量子可验证性意味着，该结果可在谷歌的量子计算机（或其他同等水平的量子计算机）上重复得出，从而确认结果的准确性。这种可重复、超越经典计算的能力，是可扩展验证的基础。

谷歌称该算法的突破是量子计算迈向实际应用的重要一步，能够让人类离能推动医学、材料科学等领域重大发现的量子计算机更近一步。

量子计算自上世纪80年代被提出以来，一直是科技圈关注的焦点，过去几年来，包括谷歌、微软，IBM等大厂都在研发量子计算机。早在2019年，谷歌曾在《Nature》发布了一项量子计算突破，在世界第一超级计算机Summit需要计算1万年的实验中，谷歌研究的量子计算机只用了短短3分20秒。当时，谷歌CEO桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）将此次突破比作“莱特兄弟的首飞”。

而此次谷歌披露的新技术Quantum Echoes（量子回声）的运作方式类似一种高度先进的回声。通过向量子系统（Willow 芯片上的量子比特）发送精心设计的信号，扰动其中一个量子比特，随后精确逆转信号的演化过程，以 “聆听” 返回的 “回声”。这种量子“回声”的特别之处在于，它会通过相长干涉得到放大 —— 这是一种量子波叠加后强度增强的现象，这使得测量具备极高的灵敏度。

打个比方，如果人类正在尝试寻找一艘沉入海底的失踪船只。声呐技术或许能为人类提供一个模糊的轮廓，并告知“海底有一艘沉船”。但谷歌借助 Willow 量子芯片实现的精度，不仅能找到这艘船，还能看清船身的铭牌。

该量子计算机的突破，未来有望在模拟量子力学现象方面发挥关键作用。谷歌在博客中举例，科学家用于研究化学结构的工具之一是核磁共振（NMR），其原理与磁共振成像（MRI）技术相同。核磁共振就像一台 “分子显微镜”，能够让人们看到原子的相对位置，从而帮助理解分子结构。模拟分子的形状和动态变化是化学、生物学和材料科学的基础，相关领域的进展将为生物技术、太阳能、核聚变等领域的发展提供支撑。

在与加州大学伯克利分校合作开展的一项原理验证实验中，谷歌在 Willow 芯片上运行 “量子回声” 算法，对两个分子（分别包含 15 个原子和 28 个原子）进行了研究，以验证该方法的有效性。量子计算机得出的结果与传统核磁共振技术的结果一致，且揭示了传统核磁共振通常无法获取的信息，这对该方法的有效性是至关重要的验证。

谷歌量子AI合作者、加州大学伯克利分校化学助理教授Ashok Ajoy在博客中表示，该算法展示了量子计算机有效模拟和解析这些自旋之间复杂相互作用的潜力，甚至可能跨越长距离。随着量子计算的持续发展，这种方法可以增强NMR光谱学，为其强大的药物发现和先进材料设计工具库增添新工具。

正如望远镜和显微镜曾为人类打开全新的未知世界，谷歌称这项实验也迈向了一台能够测量此前无法观测的自然现象的 “量子观测仪”。量子计算增强型核磁共振技术有望成为药物研发领域的强大工具，助力确定潜在药物与靶点的结合方式；也可应用于材料科学，用于表征聚合物、电池组件乃至量子比特构成材料等新型材料的分子结构。

在此前与第一财经等媒体的交流中，谷歌量子计算团队对记者提到，已经在研究中看到了指数级的加速，这意味着量子人工智能与人工智能相比，能更好地解决难题。他们希望在未来一两年内达到又一个里程碑，在本世纪末拥有一台容错的量子计算机，然后继续扩大规模。