智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編譯 | ?王欣逸
編輯 | ?程茜
智東西10月23日消息，今天，谷歌宣布了一項(xiàng)重大的算法突破，研究團(tuán)隊(duì)借助最新一代量子芯片Willow，首次成功讓量子計(jì)算機(jī)在硬件上運(yùn)行可驗(yàn)證算法。和超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)速度提升了約13000倍。相關(guān)研究登上了學(xué)術(shù)頂刊Nature的封面。
▲Nature封面
去年12月，谷歌宣布推出一款由超導(dǎo)量子電路構(gòu)建而成的Willow量子芯片。超導(dǎo)量子電路——始于1985年宏觀量子效應(yīng)的突破性發(fā)現(xiàn)，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬蒂尼斯因在這一領(lǐng)域的貢獻(xiàn)獲得2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)這篇論文的作者欄處，出現(xiàn)了新任諾獎(jiǎng)得主、谷歌量子AI部門(mén)首席科學(xué)家德沃雷特的名字。
▲米歇爾·H·德沃雷特（來(lái)源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）
這篇論文演示了全新的“量子回聲”（Quantum Echoes）算法，核心是測(cè)量量子可觀測(cè)量的期望值，這種可觀測(cè)量被稱(chēng)為OTOC（Out-of-Time-Ordered Correlator）。
該可觀測(cè)量既可以通過(guò)另一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)或自然量子系統(tǒng)驗(yàn)證，又超越了已知經(jīng)典算法的模擬能力。
谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)在Willow量子芯片上運(yùn)行了“量子回聲”實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同可觀測(cè)量在電路實(shí)例間的漲落。研究人員發(fā)現(xiàn)，高階OTOC能長(zhǎng)期對(duì)量子動(dòng)力學(xué)微觀細(xì)節(jié)保持敏感。
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，高階OTOC能捕捉到量子干涉效應(yīng)，在與經(jīng)典算法的對(duì)比中，量子處理器在信噪比（SNR）上展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。他們?cè)赪illow上的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約2小時(shí)，而傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)預(yù)計(jì)要長(zhǎng)13000倍。
谷歌及其母公司Alphabet的CEO桑達(dá)爾·皮查伊稱(chēng)：“這項(xiàng)新算法可以利用核磁共振解釋分子中原子間的相互作用，為將來(lái)在藥物研發(fā)和材料科學(xué)的潛在應(yīng)用鋪平了道路?！?/p>
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6
一、性能頂尖的量子芯片，助推谷歌實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算史上最復(fù)雜實(shí)驗(yàn)
過(guò)去四十年來(lái)，在成熟的集成電路制造技術(shù)及學(xué)界和業(yè)界積極研究的共同推動(dòng)下，超導(dǎo)量子比特在性能與可擴(kuò)展性方面展現(xiàn)出卓越的平衡性，使得超導(dǎo)量子電路成為構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的首選平臺(tái)。
在此基礎(chǔ)上，谷歌試圖讓量子計(jì)算在一個(gè)復(fù)雜應(yīng)用上創(chuàng)造實(shí)際價(jià)值。
“量子回聲”算法依賴(lài)于在量子計(jì)算機(jī)中逆轉(zhuǎn)量子數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向，這反過(guò)來(lái)對(duì)Willow芯片的系統(tǒng)級(jí)性能提出了嚴(yán)苛的要求——運(yùn)行大量量子門(mén)和進(jìn)行大量量子測(cè)量，這兩項(xiàng)是從背景噪聲中提取有用信號(hào)的關(guān)鍵要素。
在持續(xù)優(yōu)化后，當(dāng)前一代的Willow芯片實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的規(guī)?；\(yùn)算性能。
在其105個(gè)量子比特陣列中，單量子比特門(mén)的保真度達(dá)99.97%，糾纏門(mén)的保真度達(dá)99.88%，讀取保真度達(dá)99.5%，所有操作均以數(shù)十至數(shù)百納秒的突破性速度運(yùn)行。
這些高精度量子門(mén)使谷歌得以執(zhí)行高度復(fù)雜的量子回聲算法，該一算法涉及了大規(guī)模量子干涉與糾纏。
它將研究成果推向了超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算力的水平。
此外，除了精度優(yōu)勢(shì)，Willow芯片還能在短短數(shù)十秒內(nèi)完成數(shù)百萬(wàn)次量子回聲測(cè)量，這一速度使得該項(xiàng)目完成了一萬(wàn)億次測(cè)量，占迄今為止在所有量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的測(cè)量總量中的相當(dāng)大的一部分，成為量子計(jì)算史上最為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)之一。
二、谷歌的量子戰(zhàn)略之路，要做容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)
自谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)成立以來(lái)，團(tuán)隊(duì)始終沿著戰(zhàn)略路線圖，以構(gòu)建大型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)為長(zhǎng)期發(fā)展愿景。
目前，谷歌已取得兩個(gè)里程碑式的進(jìn)展：2019年完成“超經(jīng)典量子計(jì)算”，2023年實(shí)現(xiàn)“量子糾錯(cuò)原型”。
隨著2024年Willow量子芯片的發(fā)布，谷歌的戰(zhàn)略路線圖更進(jìn)一步：成功演示低于閾值的量子糾錯(cuò)，朝著第三個(gè)里程碑邁進(jìn)。
本次可驗(yàn)證的量子優(yōu)勢(shì)演示，則標(biāo)志著谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)的又一關(guān)鍵進(jìn)展。
▲谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)發(fā)帖（來(lái)源：Google Research）
谷歌的下一個(gè)里程碑目標(biāo)是：長(zhǎng)壽命邏輯量子比特。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，系統(tǒng)的性能和規(guī)模還將實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的提升，并且還需要開(kāi)發(fā)并完善數(shù)百萬(wàn)個(gè)關(guān)鍵組件。
結(jié)語(yǔ)：量子計(jì)算正在走向?qū)嶋H應(yīng)用
“量子回聲”這一量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的成功完成，得益于谷歌的硬件進(jìn)步——Willow量子芯片的突破。目前，谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)正朝著利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜量子計(jì)算邁進(jìn)。
谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)稱(chēng)：“這條路徑將引領(lǐng)量子計(jì)算的一些首批實(shí)用應(yīng)用。”
來(lái)源：谷歌、Nature
