谷歌量子计算新研究登Nature封面！诺奖得主助力，比超算快13000倍

智东西
编译 王欣逸
编辑 程茜

智东西10月23日消息，今天，谷歌宣布了一项重大的算法突破，研究团队借助最新一代量子芯片Willow，首次成功让量子计算机在硬件上运行可验证算法。和超级计算机相比，量子计算机速度提升了约13000倍。相关研究登上了学术顶刊Nature的封面。

▲Nature封面

去年12月，谷歌宣布推出一款由超导量子电路构建而成的Willow量子芯片。超导量子电路——始于1985年宏观量子效应的突破性发现，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马蒂尼斯因在这一领域的贡献获得2025年诺贝尔物理学奖。

在谷歌量子AI团队这篇论文的作者栏处，出现了新任诺奖得主、谷歌量子AI部门首席科学家德沃雷特的名字。

▲米歇尔·H·德沃雷特（来源：诺贝尔奖官网）

这篇论文演示了全新的“量子回声”（Quantum Echoes）算法，核心是测量量子可观测量的期望值，这种可观测量被称为OTOC（Out-of-Time-Ordered Correlator）。

该可观测量既可以通过另一台量子计算机或自然量子系统验证，又超越了已知经典算法的模拟能力。

谷歌量子AI团队在Willow量子芯片上运行了“量子回声”实验，测量不同可观测量在电路实例间的涨落。研究人员发现，高阶OTOC能长期对量子动力学微观细节保持敏感。

研究团队还发现，高阶OTOC能捕捉到量子干涉效应，在与经典算法的对比中，量子处理器在信噪比（SNR）上展现出明显优势。他们在Willow上的实验耗时约2小时，而传统超级计算机的实验耗时预计要长13000倍。

谷歌及其母公司Alphabet的CEO桑达尔·皮查伊称：“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，为将来在药物研发和材料科学的潜在应用铺平了道路。”

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

一、性能顶尖的量子芯片，助推谷歌实现量子计算史上最复杂实验

过去四十年来，在成熟的集成电路制造技术及学界和业界积极研究的共同推动下，超导量子比特在性能与可扩展性方面展现出卓越的平衡性，使得超导量子电路成为构建容错量子计算机的首选平台。

在此基础上，谷歌试图让量子计算在一个复杂应用上创造实际价值。

“量子回声”算法依赖于在量子计算机中逆转量子数据的流动方向，这反过来对Willow芯片的系统级性能提出了严苛的要求——运行大量量子门和进行大量量子测量，这两项是从背景噪声中提取有用信号的关键要素。

在持续优化后，当前一代的Willow芯片实现了业界领先的规模化运算性能。

在其105个量子比特阵列中，单量子比特门的保真度达99.97%，纠缠门的保真度达99.88%，读取保真度达99.5%，所有操作均以数十至数百纳秒的突破性速度运行。

这些高精度量子门使谷歌得以执行高度复杂的量子回声算法，该一算法涉及了大规模量子干涉与纠缠。

它将研究成果推向了超越传统计算机算力的水平。

此外，除了精度优势，Willow芯片还能在短短数十秒内完成数百万次量子回声测量，这一速度使得该项目完成了一万亿次测量，占迄今为止在所有量子计算机上进行的测量总量中的相当大的一部分，成为量子计算史上最为复杂的实验之一。

二、谷歌的量子战略之路，要做容错量子计算机

自谷歌量子AI团队成立以来，团队始终沿着战略路线图，以构建大型容错量子计算机为长期发展愿景。

目前，谷歌已取得两个里程碑式的进展：2019年完成“超经典量子计算”，2023年实现“量子纠错原型”。

随着2024年Willow量子芯片的发布，谷歌的战略路线图更进一步：成功演示低于阈值的量子纠错，朝着第三个里程碑迈进。

本次可验证的量子优势演示，则标志着谷歌量子AI团队的又一关键进展。

▲谷歌量子AI团队发帖（来源：Google Research）

谷歌的下一个里程碑目标是：长寿命逻辑量子比特。要实现这一目标，系统的性能和规模还将实现数量级的提升，并且还需要开发并完善数百万个关键组件。

结语：量子计算正在走向实际应用

“量子回声”这一量子计算实验的成功完成，得益于谷歌的硬件进步——Willow量子芯片的突破。目前，谷歌量子AI团队正朝着利用超导量子比特实现大规模复杂量子计算迈进。

谷歌量子AI团队称：“这条路径将引领量子计算的一些首批实用应用。”

来源：谷歌、Nature