刚刚，谷歌重大突破！量子计算首次可验证，登《Nature》封面

机器之心报道

机器之心编辑部

刚刚，谷歌宣布了一项具有历史意义的研究成果。

他们全新的量子回声（Quantum Echoes ） 算法在 Willow 芯片上运行，解决原子相互作用问题的速度比最好的传统超级计算机快 13000 倍，在数小时内完成了需要 Frontier 超级计算机大约 3.2 年才能完成的计算。

更令人称奇的是，其结果是可验证的，可以说这是量子计算机首次能够在真实硬件上成功运行可验证的算法。相关研究登上 Nature 封面。

量子回声核心是测量一种量子可观测量的期望值，这种可观测量被称为 OTOC（out-of-time-order correlator）。

OTOC 及其高阶推广是一类新的可观测量，用于描述量子动力学如何变得混沌。与比特串不同，量子期望值（例如电流、速度、磁化强度和密度）是可验证的计算结果，即使在不同的量子计算机上运行时也保持不变。

其实，这项突破建立在谷歌数十年的技术积累和过去六年的关键进展之上。

早在 2019 年，谷歌就曾展示过量子计算机能够解决一个经典超级计算机需要数千年才能完成的问题。而在去年年底（2024 年），谷歌推出的新一代 Willow 量子芯片展示了如何显著抑制误差，解决了科学家们近 30 年来一直面临的核心难题。如今的这一突破，让谷歌量子计算机朝实用性发展，又迈进了一大步。

这项工作涉及谷歌量子 AI 团队的许多成员，以及谷歌 DeepMind 和加州大学伯克利分校、达特茅斯学院等研究者。值得一提的是，新晋诺奖得主、现任谷歌量子 AI 实验室硬件首席科学家 Michel Devoret 也参与其中。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6

谷歌及其母公司 Alphabet 的首席执行官 Sundar Pichai 表示：Willow 芯片首次实现了可验证的量子优势。这项新算法可以利用核磁共振解释分子中原子间的相互作用，为未来在药物研发和材料科学领域的潜在应用铺平了道路。而且，该算法的结果是可验证的，这意味着其结果可以被其他量子计算机重复或通过实验验证。这一突破是迈向量子计算首次实际应用的重要一步。

有网友认为这项研究标志着量子硬件不仅在理论上，而且在实验中都展现出卓越的优势，为实用且可扩展的量子计算铺平了道路！量子计算终于走向实用！

量子回声算法：可验证的量子优势

量子回声可用于研究自然界中各种系统的结构，从分子到磁体再到黑洞。

这是人类历史上第一次，有量子计算机成功运行了一个可验证的算法，并且其性能超越了超级计算机的能力。

所谓量子可验证性，意味着计算结果可以在量子计算机上，或任何同等水平的量子计算机上被重复验证，得到相同的答案，从而确认结果的正确性。

这种可重复、超越经典计算的能力，是实现可扩展验证的基础，也让量子计算机离成为实用科研工具更近了一步。

这次，谷歌新技术的运作方式，就像一个高度精密的回声实验。

研究者向量子系统（即 Willow 芯片上的量子比特）发出经过精心设计的信号，然后轻微扰动其中一个量子比特，接着精确地反转信号的演化过程，以「倾听」返回的那一道量子回声。

这种量子回声的独特之处在于：它会因为相长干涉（constructive interference）而被放大，这是量子波叠加后彼此增强的现象。

正因如此，测量变得极其敏感，需要能够以前所未有的精度捕捉量子信号的变化。

这张示意图展示了在谷歌的 105 个量子比特阵列上创建量子回声的四个步骤：正向运行操作 → 扰动一个量子比特 → 反向运行操作 → 测量结果。信号的重叠程度揭示了扰动如何在 Willow 芯片上扩散。

这一版量子回声算法的实现，得益于 Willow 芯片在量子硬件方面的进步。

去年，Willow 芯片通过了随机电路采样基准测试，这是一项用于衡量量子系统最大状态复杂度的测试，证明了其强大性能。而量子回声算法则代表着一种全新的挑战类型，因为它模拟的是一个真实的物理实验。

这意味着该算法不仅能处理复杂系统，还要求在最终计算中具备极高的精确度。

这也正是谷歌称之为可验证的量子计算的原因，其结果可以通过其他同等质量的量子计算机进行交叉验证。同时，为了实现高精度与高复杂度，量子硬件必须具备两个关键特性：极低的误差率；高速的运算能力。

走向现实应用

量子计算机将在模拟量子力学现象方面发挥关键作用，例如原子与粒子的相互作用，以及分子的结构（或形状）。科学家们理解化学结构的重要工具之一是核磁共振（NMR），这也是磁共振成像（MRI）技术背后的原理。核磁共振就像一台分子显微镜，强大到能够让我们看到原子之间的相对位置，从而帮助我们理解分子的结构。

模拟分子的形状与动力学是化学、生物学以及材料科学的基础，而在这一方面的进步，则支撑着从生物技术到太阳能再到核聚变等诸多领域的发展。

在与加州大学伯克利分校合作的一项验证性实验中，谷歌在 Willow 量子芯片上运行了量子回声算法，研究了两个分子，一个包含 15 个原子，另一个包含 28 个原子，以验证这一方法。结果表明，量子计算结果与传统 NMR 的结果一致，并揭示了后者通常无法获得的额外信息，这对谷歌提出的方法是一个关键性的验证。

正如望远镜和显微镜曾经打开人类通往未知世界的大门一样，这项实验也是迈向一种新的量子镜（quantum-scope）的重要一步，它有望让人们测量那些过去无法观测到的自然现象。借助量子计算增强的 NMR，未来有望成为药物研发的有力工具，用于研究潜在药物与靶标的结合方式；或在材料科学中，用于表征新型材料（如高分子、电池组件，甚至量子比特构成材料）的分子结构。