谷歌量子研究重大突破，量子计算迈向实际应用跨出一大步

不久前，谷歌量子人工智能部门首席科学家米歇尔·德沃雷特（Michel Devoret）刚和他人一并获得 2025 年诺贝尔物理学奖，时隔不久他又和团队在 Nature 发表了一篇封面论文。

10 月 22 日，这篇论文正式刊登。论文作者主要来自谷歌和美国加州大学伯克利分校。谷歌表示这一成果首次让量子计算机能在硬件上运行可验证算法，不仅超过了此前速度最快的经典超级计算机，而且将速度提高了 13000 倍。

通过这一成果谷歌计算出了相关分子的结构，为相关的实际应用铺平了道路。正如望远镜和显微镜让人们看到了新世界一样，此次成果也能测量那些此前人们无法观测的自然现象，让谷歌朝着打造“量子望远镜”迈出了重要一步，也使其有望造出能够助力实现科学重大发现的量子计算机。

在此次论文中，米歇尔·德沃雷特（Michel Devoret）的名字出现在了作者栏。他告诉媒体，此次成果是量子领域的又一里程碑，标志着谷歌迈出了全面量子计算的新的一步。

用量子回声算法实现可验证的量子优势

在介绍这一成果时，谷歌在官方博客中举了一个例子。假设在船底寻找一艘失踪的船只，声呐技术可能只会给到一个模糊的轮廓，并告诉你那里有一艘沉船。而通过谷歌 Willow 量子芯片则能让你不仅找到这艘船，甚至还能读出这艘船上的铭牌。在本次论文里，谷歌介绍了运行乱序时间相关器（OTOC，out-of-time-order correlators）算法所带来的首个可验证的量子优势，谷歌将其称之为是“量子回声”。

量子回声可被用于了解从分子到磁铁再到黑洞的自然界系统的结构。目前，谷歌已经证明 OTOC 算法在 Willow 量子芯片上的运行速度比此前全球最快的超级计算机之一上的最佳经典算法还要快 13000 倍。在另一项名为“通过多体核自旋回波进行分子几何的量子计算”的原理验证实验上，谷歌展示了一项名为“分子尺”的技术，它能比已有方法测量出更长的距离，并能使用核磁共振数据获取有关化学结构的更多信息。

OTOC 还在高度纠缠的量子多体系统中展现出了量子关联，这一关联只有通过时间反转技术才能实现。研究中，谷歌在量子演化过程中插入泡利算符，使得海森堡图像中泡利弦的相位变得随机化，这样一来就能显著改变 OTOC 的测量值，从而能够揭示在位形空间中形成大环路的泡利弦之间的相长干涉。谷歌在研究中还观察到一个干涉机制，并发现这一机制能够赋予 OTOC 高度的经典模拟复杂度。基于这些结果，以及 OTOC 在解释量子动力学细节上面的能力，能够为通向实用的量子计算指明一条可行路径。

研究之中，谷歌进行了一系列的OTOC 实验，并利用干涉框架来理解不同的路径及其组合如何揭示了量子关联。对于这些量子关联来说，此前通过时间反转方法或数值方法是无法获得的。而谷歌利用数字量子处理器独特的可编程性来改变了干涉臂的数量，并在每个干涉臂之中插入噪声或相干移相器。结果发现，与没有时间反转的可观测量相比，OTOC 对于这些扰动更加敏感。与此同时，谷歌还揭示了 OTOC 对于泡利弦之间的建设性干涉，而这也是利用传统低阶可观测量所无法观察到的。

如前所述，这是量子计算机首次成功运行超越超级计算机能力的可验证算法。量子可验证性意味着可以在量子计算机或任何其他同等口径上的量子计算机重复结果。也就是说，这种计算不仅是可重复的，而且超过了经典计算，故能让量子计算机更加接近实际应用。

因此，作为一种高度先进的回声技术，量子回声能将一个精心设计的信号发送到谷歌 Willow 量子芯片上的量子比特里，通过扰动一个量子比特，来精确地逆转信号的演化，并能够监听返回的“回声”。这种量子回声之所以特殊，是因为它会被相长干涉这样一种量子波叠加增强的现象方法，从而能让测量变得极其灵敏。

量子回声算法的实现得益于 Willow 量子芯片的进步。2024 年，谷歌通过随机电路采样基准测试证明了 Willow 量子芯片的性能，并测量了量子态的最大复杂度。当量子回声算法能够模拟物理实验，这意味着它不仅可以测试复杂度，还可以测试最终计算的精度，基于此谷歌将这称之为“量子可验证”，因为其结果可以通过另一台质量相近的量子计算机进行交叉基准测试和验证。

利用量子回声发现核磁共振无法发现的信息

量子计算机能在量子力学现象的建模中发挥重要作用，例如用于分析原子和粒子的相互作用以及分子结构。在理解化学结构上，学界一直以来使用的工具之一是核磁共振，它与核磁共振成像背后的科学原理是相同的。核磁共振就像是一台分子显微镜，能够让人看到原子的相对位置，从而帮助人们理解分子结构。针对分子形状和动力学进行建模，也是化学、生物学和材料科学的基础，而这些建模结果能够为从生物技术、到太阳能再到核聚变领域的进步奠定基础。

在与美国加州大学伯克利分校的研究人员合作开展的原理验证试验中，谷歌和后者在 Willow 量子芯片上运行了量子回声算法，并研究了两个分子，其中一个分子包含 15 个原子，另一个分子包含 28 个原子。结果显示，在量子计算机上的结果与传统核磁共振的结果一致，与此同时谷歌还发现了利用核磁共振无法发现的信息。据了解，这种量子计算的增强型核磁共振技术有望成为药物研发的有力工具，帮助人们明确潜在药物如何与靶标进行结合；也能在材料科学领域帮助人们表征聚合物和电池组件，以及找出新材料的分子结构。

总的来说，本次成果证明 OTOC 具有量子干涉效应，这使其对于量子动力学细节有着高度的敏感性。同时，谷歌还发现 OTOC 有着较高的经典模拟复杂度。因此，OTOC 是实现实用量子优势的潜在候选者。

事实上，这一成果建立在谷歌多年来的积累之上。2019 年，谷歌证明量子计算机可以解决就连最快的经典超级计算机需要数千年才能解决的问题。2024 年，谷歌 Willow 量子芯片通过抑制误差解决了困扰科学家进 30 年的难题。而此次量子回声算法则首次展示了可验证的量子优势，是谷歌在通往量子计算首次应用之路上的里程碑之一。

但是，要想打造完全容错的量子计算机并完成一些让人兴奋的科学任务依然并未真正照进现实，因为要想达到这一目标，就得让量子计算机能够容纳数十万个量子比特。尽管谷歌的此次成果无法被称之为“具有革命性”，但也再次有力地证明了量子计算机正在逐渐变得越来越强大。同为本次论文作者之一的谷歌工程副总裁哈特穆特·内文（Hartmut Neven）坦言，尽管 OTOC 取得了一定突破，但是距离实现量子计算机的实际应用可能依然需要五年时间左右。

目前，谷歌也正在致力于实现量子硬件计算图上的第三个里程碑——长寿命逻辑量子比特。预计随着人们逐渐迈向全面的、可就错的量子计算机，未来也将催生出更多的实际应用。

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6

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

https://www.theguardian.com/technology/2025/oct/22/google-hails-breakthrough-as-quantum-computer-surpasses-ability-of-supercomputers