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來源：內容綜合自谷歌等。

今天，谷歌宣佈了一項研究，該研究表明——歷史上首次——量子計算機能夠成功在硬件上運行可驗證算法，甚至超越了速度最快的經典超級計算機（速度提高了 13,000 倍）。它可以計算分子結構，並為實際應用鋪平了道路。今天的進展建立在數十年的研究和六年的重大突破之上。

早在 2019 年，谷歌就證明了量子計算機可以解決最快的經典超級計算機也需要數千年才能解決的問題。然後，去年年底（2024 年），谷歌全新的 Willow 量子芯片展示瞭如何顯著抑制誤差，解決了困擾科學家近 30 年的一個重大難題。今天規格的突破使我們更接近能夠推動醫學和材料科學等領域重大發現的量子計算機。

想象一下，你正在海底尋找一艘失蹤的船隻。聲納技術可能會給你一個模糊的輪廓，並告訴你：「那裏有一艘沉船。」 但如果你不僅能找到這艘船，還能讀出船體上的銘牌呢？

這就是谷歌啱啱通過 Willow 量子芯片實現的前所未有的精度。今天，谷歌宣佈一項重大算法突破，標誌着我們朝着首個實際應用邁出了重要一步。我們啱啱在《自然》雜誌上發表的論文展示了運行亂序時間相關器 (OTOC) 算法的首個可驗證的量子優勢，谷歌稱之為「Quantum Echoes」（量子回聲）。

Quantum Echoes 算法，

可驗證的量子優勢

這是歷史上量子計算機首次成功運行超越超級計算機能力的可驗證算法。量子可驗證性意味着結果可以在谷歌的量子計算機（或任何其他同等口徑的量子計算機）上重複，並得到相同的答案，從而確認結果。這種可重複的、超越經典的計算是可擴展驗證的基礎，使量子計算機更接近成為實際應用的工具。

谷歌的新技術就像一種高度先進的回聲。我們將一個精心設計的信號發送到我們的量子系統（Willow 芯片上的量子比特），擾動一個量子比特，然後精確地逆轉信號的演化，以監聽返回的「回聲」。

這種量子回聲之所以特殊，是因為它會被相長干涉（一種量子波疊加增強的現象）放大。這使得谷歌的測量極其靈敏。

Quantum Echoes 算法的實現得益於谷歌 Willow 芯片量子硬件的進步。去年，Willow 通過我們的隨機電路採樣基準測試證明了其強大性能，該測試旨在測量量子態的最大複雜度。Quantum Echoes 算法代表了一類全新的挑戰，因為它模擬了物理實驗。這意味着該算法不僅測試複雜度，還測試最終計算的精度。正因如此，我們稱之為「量子可驗證」，這意味着其結果可以通過另一臺質量相近的量子計算機進行交叉基準測試和驗證。為了兼顧精度和複雜度，硬件必須具備兩個關鍵特性：極低的錯誤率和高速運算。

量子計算機將在量子力學現象的建模中發揮重要作用，例如原子和粒子的相互作用以及分子的結構（或形狀）。科學家用來理解化學結構的工具之一是核磁共振 (NMR)，它與核磁共振成像 (MRI) 技術背後的科學原理相同。NMR 就像一臺分子顯微鏡，其強大功能足以讓我們看到原子的相對位置，從而幫助我們理解分子的結構。對分子形狀和動力學進行建模是化學、生物學和材料科學的基礎，而幫助我們更好地進行建模的進展，將為從生物技術到太陽能再到核聚變等領域的進步奠定基礎。

在與加州大學伯克利分校合作進行的原理驗證實驗中，我們在 Willow 芯片上運行了量子回聲算法，研究了兩個分子（一個包含 15 個原子，另一個包含 28 個原子），以驗證這種方法。我們量子計算機上的結果與傳統核磁共振 (NMR) 的結果一致，並揭示了核磁共振通常無法提供的信息，這對我們的方法進行了至關重要的驗證。

正如望遠鏡和顯微鏡開闢了新的、未曾見過的世界一樣，這項實驗朝着能夠測量先前無法觀測的自然現象的「量子望遠鏡」邁出了一步。量子計算增強型核磁共振（NMR）有望成為藥物研發的有力工具，幫助確定潛在藥物如何與其靶標結合；又或者，在材料科學領域，它能夠表徵聚合物、電池組件，甚至構成我們量子比特（qubit）的材料等新材料的分子結構。

Willow，谷歌最先進的量子芯片

在去年六月，谷歌發佈了其最新的量子芯片 Willow 。Willow 在多項指標上都擁有頂尖的性能，並取得了兩項重大成就：

首先，隨着量子比特數量的增加，Willow 可以指數級地減少錯誤。這解決了量子糾錯領域近 30 年來一直追求的一個關鍵難題。

其次，Willow 在五分鐘內完成了一項標準基準計算，而當今最快的超級計算機之一則需要10 的七次方（即 10 25）年才能完成這項計算——這個數字遠遠超過了宇宙的年齡。

谷歌表示，Willow 芯片是十多年前開啓的旅程中邁出的重要一步。2012 年，谷歌團隊創立 Google Quantum AI 時，願景是構建一臺實用的大型量子計算機，利用量子力學——我們今天所知的自然界「操作系統」——推動科學發現，開發實用的應用程序，並解決一些社會重大挑戰，從而造福社會。作為 Google Research 的一部分，谷歌的團隊已經制定了長期路線圖，而 Willow 則在這條道路上邁出了重要的一步，讓我們朝着商業應用的方向邁進。

錯誤是量子計算面臨的最大挑戰之一，因為量子比特（量子計算機的計算單位）傾向於與其環境快速交換信息，這使得保護完成計算所需的信息變得困難。通常情況下，使用的量子比特越多，出現的錯誤就越多，最終系統會迴歸經典狀態。

在《自然》雜誌上，谷歌發表了研究結果，表明其在 Willow 中使用的量子比特越多， 錯誤就越少，系統的量子化程度就越高。谷歌測試了越來越大的物理量子比特陣列，從 3x3 編碼量子比特網格擴展到 5x5 網格，再到 7x7 網格——每次，利用谷歌在量子糾錯方面的最新進展，谷歌都能夠將錯誤率降低一半。換句話說，谷歌實現了錯誤率的指數級降低。這一歷史性成就在該領域被稱為「低於閾值」——能夠在增加量子比特數量的同時降低錯誤。必須證明低於閾值才能表明在糾錯方面取得了真正的進展，自1995 年 Peter Shor 提出量子糾錯以來，這一直是一個巨大的挑戰。

這一成果還涉及其他科學上的「首創」。例如，它也是超導量子系統實時糾錯的首批引人注目的例子之一——這對於任何有用的計算都至關重要，因為如果你不能足夠快地糾正錯誤，它們會在計算完成之前毀掉它。此外，這是一個「超越盈虧平衡」的演示，谷歌的量子比特陣列比單個物理量子比特的壽命更長，這是一個不容置疑的跡象，表明糾錯正在改善整個系統。

作為首個低於閾值的系統，這是迄今為止構建的可擴展邏輯量子比特最令人信服的原型。這有力地表明，實用的超大型量子計算機確實可以構建。Willow 讓我們更接近運行傳統計算機上無法複製的實用且具有商業價值的算法。

為了衡量 Willow 的性能，谷歌使用了隨機電路採樣 (RCS) 基準。RCS 由谷歌的團隊首創，現已被廣泛用作該領域的標準，它是當今量子計算機上可以完成的最難的經典基準測試。您可以將其視為量子計算的切入點——它檢查量子計算機是否正在執行經典計算機上無法完成的操作。任何構建量子計算機的團隊都應首先檢查其是否可以在 RCS 上擊敗經典計算機；否則，我們有充分的理由懷疑它能否處理更復雜的量子任務。我們一直使用此基準來評估從一代芯片到下一代芯片的進展——谷歌於2019 年 10 月報告了 Sycamore 的結果，最近又於2024 年 10 月報告了一次。

Willow 在這項基準測試中的表現令人驚歎：它在不到五分鐘的時間內完成了一項計算，而如今最快的超級計算機之一也需要10^ 25或 10^7^8 年才能完成。如果用文字表達出來，那就是 10,000,000,000,000,000,000,000,000 年。這個令人難以置信的數字超越了物理學中已知的時間尺度，也遠遠超過了宇宙的年齡。它證實了量子計算發生在多個平行宇宙中的觀點，這與大衛·多伊奇 (David Deutsch) 首次提出的「我們生活在多元宇宙」的預測相符。

如下圖所示，Willow 的最新結果是谷歌迄發佈時最好的。

谷歌對 Willow 如何超越全球最強大的經典超級計算機之一Frontier 的評估是基於保守的假設。例如，谷歌假設 Willow 可以完全訪問二級存儲（即硬盤），且無需任何帶寬開銷——這對於 Frontier 來說是一個慷慨且不切實際的假設。當然，正如谷歌在 2019 年宣佈首個超經典計算之後的情況一樣，谷歌預計經典計算機將在此基準上繼續改進，但快速擴大的差距表明，量子處理器正以雙指數速度與經典計算機拉開差距，並且隨着規模的擴大，其性能將繼續大幅超越經典計算機。

Willow 是在谷歌位於聖巴巴拉的全新先進製造工廠製造的——這是全球僅有的幾家為此目的而全新建造的工廠之一。系統工程是設計和製造量子芯片的關鍵：芯片的所有組件，例如單量子比特門和雙量子比特門、量子比特復位和讀出，都必須同時進行精心設計和集成。如果任何一個組件出現性能滯後，或者兩個組件不能很好地協同工作，就會拖累系統性能。因此，最大化系統性能貫穿於我們流程的各個方面，從芯片架構和製造到門的開發和校準。我們報告的成果是對量子計算系統進行整體評估，而不是一次只評估一個因素。

谷歌注重質量，而非數量——因為如果質量不夠高，僅僅生產更多量子比特也無濟於事。Willow 擁有 105 個量子比特，在上述兩個系統基準測試（量子糾錯和隨機電路採樣）中均擁有一流的性能。此類算法基準測試是衡量芯片整體性能的最佳方法。其他更具體的性能指標也至關重要；例如，谷歌的 T1時間（衡量量子比特能夠保持激發態的時間，即關鍵的量子計算資源）現在已接近 100 µs（微秒）。這比上一代芯片的性能提升了約 5 倍，令人印象深刻。如果您想評估量子硬件並跨平臺比較，請參閱以下關鍵規格表：

谷歌在當時表示，該領域的下一個挑戰是在當今的量子芯片上演示首個「實用的、超越經典」的計算（文章開頭所時間的目標），並使其與實際應用相關。谷歌樂觀地認為，Willow 一代芯片能夠幫助我們實現這一目標。到目前為止，谷歌已經進行了兩種類型的實驗。一方面，谷歌運行了 RCS 基準測試，該測試衡量了與經典計算機的性能，但目前尚無已知的實際應用。另一方面，谷歌對量子系統進行了科學上有意義的模擬，這些模擬帶來了新的科學發現，但仍在經典計算機的可及範圍內。谷歌的目標是同時實現這兩個目標——進入經典計算機無法企及的算法領域，並使其能夠解決現實世界中與商業相關的問題。

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