谷歌量子新突破，比经典超算快13000倍

谷歌宣布了一种全新的算法，即量子回声（Quantum Echoes ）。该算法在 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。

值得一提的是，谷歌声称“Quantum Echoes”算法具有可验证性，这意味着可以在其他量子计算机上重复运行。相关研究成果发布于《自然》杂志。

谷歌量子AI的研究科学家Tom O’Brien表示：“可验证性的关键意义在于，这是迈向现实世界应用的重要一步，实现这一成果表明我们正切实推动量子计算走向主流。”

量子回声算法

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。

这是历史上首次有量子计算机成功运行了一项可验证且能力超越超级计算机的算法。量子可验证性意味着该结果可在谷歌量子计算机（或其他任何同等水平的量子计算机）上重复得出，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可扩展验证的基础，使量子计算机更接近成为实际应用的工具。

此次谷歌披露的新技术量子回声的运作方式类似一种高度先进的回声。通过向量子系统（Willow 芯片上的量子比特）发送精心设计的信号，扰动其中一个量子比特，随后精确逆转信号的演化过程，以 “聆听” 返回的 “回声”。这种量子“回声”的特别之处在于，它会通过相长干涉得到放大 —— 这是一种量子波叠加后强度增强的现象，这使得测量具备极高的灵敏度。

上图展示了在105量子比特阵列上产生量子回声的四步流程：正向执行操作、扰动一个量子比特、反向执行操作、测量结果。信号的重叠程度可揭示干扰在 Willow 芯片上的传播情况。

量子回声算法的实现，得益于 Willow 芯片量子硬件的进步。去年，Willow 芯片通过 “随机线路采样” 基准测试证明了其性能，该测试旨在衡量量子态的最大复杂度。量子回声算法代表了一类新的挑战，因为它模拟了一个物理实验。这意味着该算法不仅测试复杂度，还测试最终计算的精度。这也是称之为 “量子可验证” 的原因，即结果可通过另一台同等水平的量子计算机进行交叉基准测试和验证。要同时实现精度和复杂度，硬件必须具备两个关键特性：极低的错误率和高速的运算能力。

迈向实际应用

量子计算机将在模拟量子力学现象方面发挥重要作用，例如原子与粒子的相互作用以及分子的结构。科学家用于理解化学结构的工具之一是核磁共振（NMR），其原理与磁共振成像（MRI）技术相同。核磁共振就像一台分子显微镜，其分辨率足以观察到原子的相对位置，这有助于理解分子的结构。

模拟分子的形状和动态变化是化学、生物学和材料科学的基础。在这方面的进展，是生物技术、太阳能、核聚变等领域取得突破的重要支撑。

在与加州大学伯克利分校合作的一项原理验证实验中，研究团队在Willow芯片上运行了量子回声算法，对两个分子（一个含 15 个原子，另一个含 28 个原子）进行了研究，以验证该方法的有效性。量子计算机得出的结果与传统核磁共振技术的结果一致，并且揭示了传统核磁共振通常无法获得的信息，这对研究团队方法的有效性是至关重要的验证。

正如望远镜和显微镜曾为我们打开了前所未见的新世界，这项实验是迈向 “量子显微镜” 的一步，这种 “量子显微镜” 能够测量以前无法观测到的自然现象。量子计算增强型核磁共振技术可能成为药物研发领域的强大工具，帮助确定潜在药物与其靶点的结合方式；也可能应用于材料科学领域，用于表征聚合物、电池组件甚至量子比特构成材料等新型材料的分子结构。