谷歌量子AI首席科學(xué)家前幾天剛獲得諾貝爾物理學(xué)獎，今天谷歌量子AI團(tuán)隊又整了一個大的

就在剛剛，谷歌量子AI團(tuán)隊宣布了一項里程碑式的算法突破，其“Willow”量子芯片成功運行了“量子回聲”（Quantum Echoes）算法，首次在硬件上實現(xiàn)了可驗證的量子優(yōu)勢

這項研究剛剛發(fā)表于《自然》雜志

結(jié)果顯示，在執(zhí)行特定任務(wù)時，該量子計算機(jī)的表現(xiàn)超越了目前最快的經(jīng)典超級計算機(jī)，速度快了13000倍。這一進(jìn)展能夠計算分子結(jié)構(gòu)，為量子計算在醫(yī)藥、材料科學(xué)等領(lǐng)域的真實世界應(yīng)用鋪平了道路

這是量子計算發(fā)展史上的一個關(guān)鍵時刻，標(biāo)志著量子計算機(jī)從理論和實驗探索，向成為解決實際問題的實用工具邁出了重要一步。

此次突破建立在谷歌過去數(shù)年研究成果之上。2019年，谷歌證明了量子計算機(jī)能解決頂尖超算耗時數(shù)千年才能完成的問題。2024年末，新一代Willow量子芯片展示了如何顯著抑制錯誤，解決了困擾科學(xué)家近30年的重大難題。

而今天，這一成就將我們更近一步地帶向量子計算機(jī)驅(qū)動重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的未來

突破了什么？

谷歌團(tuán)隊用一個比喻來形容這次突破的精度：

想象一下在海底尋找一艘沉船。聲吶技術(shù)或許能告訴你那里有一個模糊的輪廓，確認(rèn)“那兒有艘沉船”。但假如你不僅能找到船，還能清晰地讀出船體上的銘牌呢？

這正是Willow量子芯片所實現(xiàn)的空前精度

通過運行稱為“量子回聲”的亂序時間相關(guān)器（OTOC）算法，谷歌團(tuán)隊展示了首個可在硬件上運行并實現(xiàn)可驗證量子優(yōu)勢的算法

“量子回聲”算法在探索自然界系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面極具潛力，從分子、磁體到黑洞的研究都能受益。實驗證明，在Willow芯片上運行該算法，比在世界最快的超級計算機(jī)之一上運行經(jīng)典算法要快13000倍

此外，在一項獨立的原理驗證實驗中，團(tuán)隊展示了這項新技術(shù)（一個“分子尺”）如何利用核磁共振（NMR）數(shù)據(jù)，測量比現(xiàn)有方法更長的分子距離，從而獲得更豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息

“量子回聲”：一種可驗證的量子優(yōu)勢

這是歷史上第一次，任何量子計算機(jī)成功運行了一個能夠超越超級計算機(jī)并且結(jié)果可被驗證的算法

“量子可驗證性”意味著，計算結(jié)果可以在谷歌的量子計算機(jī)或任何其他同等級別的量子計算機(jī)上重復(fù)運行，并得到相同的答案，從而確認(rèn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種可重復(fù)、超越經(jīng)典的計算能力，是實現(xiàn)可擴(kuò)展驗證的基礎(chǔ)，也使量子計算機(jī)距離成為實用工具更近了一步

這項新技術(shù)的工作原理類似于一個高度先進(jìn)的回聲定位系統(tǒng)

研究人員向量子系統(tǒng)（Willow芯片上的量子比特）發(fā)送一個精心設(shè)計的信號，擾動其中一個量子比特，然后精確地逆轉(zhuǎn)信號的演化過程，并“聆聽”返回的“回聲”

這個量子回聲的特殊之處在于，它通過“相長干涉”（constructive interference）現(xiàn)象得到放大——量子波疊加后變得更強(qiáng)。這使得測量過程具備極高的靈敏度

下圖展示了在105量子比特陣列上創(chuàng)建量子回聲的四步過程：

1. 1. 運行一系列前向操作。

2. 2. 擾動一個量子比特。

3. 3. 運行反向操作。

4. 4. 測量結(jié)果。

信號的重疊程度揭示了擾動如何在Willow芯片上傳播

“量子回聲”算法的實現(xiàn)，得益于Willow芯片在量子硬件上的巨大進(jìn)步。該算法模擬的是一個物理實驗，因此不僅考驗系統(tǒng)的復(fù)雜性，也對最終計算的精度提出了極高要求

為了同時實現(xiàn)高精度和高復(fù)雜性，硬件必須具備兩個關(guān)鍵特性：極低的錯誤率和高速的運算能力。

走向真實世界應(yīng)用

量子計算機(jī)將在模擬量子力學(xué)現(xiàn)象中扮演關(guān)鍵角色，例如原子和粒子的相互作用以及分子的結(jié)構(gòu)（或形狀）

核磁共振（NMR）是科學(xué)家用來理解化學(xué)結(jié)構(gòu)的工具之一，它與核磁共振成像（MRI）技術(shù)背后的科學(xué)原理相同。NMR就像一個分子顯微鏡，能幫助我們看到原子的相對位置，從而理解分子結(jié)構(gòu)。對分子形狀和動態(tài)的精確建模是化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，其進(jìn)展將推動從生物技術(shù)到太陽能、乃至核聚變等領(lǐng)域的發(fā)展。

在一項與加州大學(xué)伯克利分校合作的原理驗證實驗中，團(tuán)隊在Willow芯片上運行了“量子回聲”算法，研究了兩種分子（一個含15個原子，另一個含28個原子）以驗證該方法

結(jié)果顯示，量子計算機(jī)的計算結(jié)果與傳統(tǒng)NMR相符，并且揭示了一些通常無法從NMR中獲得的信息。這是對該方法有效性的關(guān)鍵驗證

正如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡為人類打開了前所未見的宏觀與微觀世界，這項實驗是朝著開發(fā)一種“量子顯微鏡”邁出的一步，它有能力測量以前無法觀測到的自然現(xiàn)象。量子計算增強(qiáng)的NMR技術(shù)，未來可能成為藥物研發(fā)的強(qiáng)大工具，幫助確定潛在藥物如何與其靶點結(jié)合；或在材料科學(xué)中用于表征新材料（如聚合物、電池組件）的分子結(jié)構(gòu)

加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系助理教授、谷歌量子AI合作者Ashok Ajoy表示：

“核磁共振（NMR）——作為MRI的光譜學(xué)近親——通過探測原子中心的微小磁‘自旋’來揭示分子結(jié)構(gòu)。谷歌的量子回聲算法展示了量子計算機(jī)高效建模并揭示這些自旋間復(fù)雜相互作用的潛力，甚至可能跨越長距離。隨著量子計算的不斷成熟，這類方法將能增強(qiáng)NMR光譜學(xué)技術(shù)，為其強(qiáng)大的工具箱增添新功能，助力藥物發(fā)現(xiàn)和先進(jìn)材料設(shè)計?！?/blockquote>下一步是什么？

通過“量子回聲”算法首次實現(xiàn)可驗證的量子優(yōu)勢，標(biāo)志著量子計算朝著首批真實世界應(yīng)用邁出了重要一步。

隨著團(tuán)隊朝著全尺寸、可糾錯的量子計算機(jī)方向擴(kuò)展，預(yù)計未來將有更多此類有用的真實世界應(yīng)用被開發(fā)出來。目前，團(tuán)隊的焦點是實現(xiàn)其量子硬件路線圖上的“里程碑3”——一個長壽命的邏輯量子比特

參考：

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