繼去年12月谷歌最強量子計算芯片Willow正式發(fā)布之后，當?shù)貢r間2025年10月22日，谷歌宣布，在其高性能量子芯片Willow的驅(qū)動下，首次實現(xiàn)了可驗證的量子優(yōu)勢。這一里程碑是實現(xiàn)實用量子計算的關(guān)鍵一步，這一成就得益于谷歌量子硬件系統(tǒng)所設(shè)計的精度和速度。

同時，谷歌還在《自然》雜志上發(fā)表的論文展示了運行亂序時間相關(guān)器 (OTOC) 算法的首個可驗證的量子優(yōu)勢，稱之為“量子回聲”。量子回聲可用于了解自然界系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從分子到磁鐵再到黑洞。

谷歌通過相關(guān)測試證明了“量子回聲”算法在 Willow 上的運行速度比世界上最快的超級計算機之一上的最佳經(jīng)典算法快 13,000 倍。

這一進展能夠計算分子結(jié)構(gòu)，為量子計算在醫(yī)藥、材料科學等領(lǐng)域的真實世界應用鋪平了道路

Willow：工程領(lǐng)域一流的性能

谷歌最先進的量子芯片Willow由超導量子電路構(gòu)成。這一研究領(lǐng)域始于1985年宏觀量子效應的突破性發(fā)現(xiàn)，這一成就使約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯獲得了2025年諾貝爾物理學獎。利用這些電路，超導量子比特可以充當宏觀的“人造原子”。

在過去的40年里，在成熟的集成電路制造技術(shù)以及學術(shù)界和工業(yè)界積極研究的推動下，這些量子比特在性能和可擴展性之間展現(xiàn)出卓越的平衡。這使得它們成為構(gòu)建容錯量子計算機的領(lǐng)先平臺。

2014年12月10日，谷歌通過官方博客宣布，其最新的量子計算芯片“Willow”得了兩項重大成就：

1、Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯誤，破解了近30年來一直在研究的量子糾錯挑戰(zhàn)。

2、Willow可以在不到5分鐘內(nèi)完成一項標準基準計算，而當今最快的超級計算機要完成這一計算需要10^25（10000000000000000000000000）年的時間，這一時間比宇宙的年齡還長。

得益于Willow發(fā)布后的持續(xù)改進，當前一代 Willow 芯片在規(guī)?；矫鎸崿F(xiàn)了一流的性能。在其整個 105 個量子比特陣列中，單量子比特門的保真度高達 99.97%，糾纏門的保真度高達 99.88%，讀出的保真度高達 99.5%，所有操作均以數(shù)十至數(shù)百納秒的無與倫比的速度運行。

量子回聲算法，可驗證的量子優(yōu)勢

基于領(lǐng)先的Willow量子計算平臺，谷歌著手在復雜的實際應用中展示其強大功能，使量子計算更接近于為人類帶來實際效益。為了揭示量子系統(tǒng)（例如分子）內(nèi)部動力學的隱藏信息，谷歌成功運行了“量子回聲”算法。

該算法依賴于量子計算機中量子數(shù)據(jù)流的逆向流動，這反過來對 Willow 的系統(tǒng)級性能提出了極高的要求。它要求 Willow 芯片運行大量量子門和進行大量量子測量——這兩項是從背景噪聲中提取有用信號的關(guān)鍵要素。

谷歌此次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。量子可驗證性意味著結(jié)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）上重復，并得到相同的答案，從而確認結(jié)果。這種可重復的、超越經(jīng)典的計算是可擴展驗證的基礎(chǔ)，使量子計算機更接近成為實際應用的工具。

谷歌的新技術(shù)就像一種高度先進的回聲，即將一個精心設(shè)計的信號發(fā)送到谷歌的量子系統(tǒng)（Willow 芯片上的量子比特），擾動一個量子比特，然后精確地逆轉(zhuǎn)信號的演化，以監(jiān)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(xiàn)象）放大。這使得谷歌的測量極其靈敏。

這些高精度量子門使得研究人員能夠執(zhí)行高度復雜的量子回聲算法，該算法涉及大規(guī)模量子干涉和糾纏。它使谷歌的成果達到了超越傳統(tǒng)計算機能力的水平。

此外，除了如此高的精度，谷歌的量子系統(tǒng)還能在短短數(shù)十秒內(nèi)完成數(shù)百萬次量子回聲測量。如此高的速度使得該項目的測量次數(shù)達到了驚人的一萬億次——這相當于所有量子計算機測量次數(shù)總和的很大一部分。這進一步鞏固了谷歌的工作是量子計算史上最復雜的實驗之一的地位。

△在Willow 芯片上創(chuàng)建量子回聲的四步過程

“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之一上運行經(jīng)典算法要快13000倍。

在另一項原理驗證實驗“通過多體核自旋回波進行分子幾何的量子計算”（將于晚些時候發(fā)布在 arXiv 上）中，谷歌展示了一項新技術(shù)——“分子尺”——如何能夠測量比當今方法更長的距離，并使用核磁共振 (NMR) 數(shù)據(jù)獲取有關(guān)化學結(jié)構(gòu)的更多信息。

通往容錯之路：谷歌的戰(zhàn)略路線圖

自 Google Quantum AI 路線圖成立以來，谷歌始終致力于構(gòu)建容錯量子計算機。目前谷歌已取得進展，完成了前兩個里程碑：2019 年實現(xiàn)超經(jīng)典量子計算，2023 年實現(xiàn)量子糾錯原型。隨著 2024 年 Willow 的發(fā)布，谷歌進一步推進了路線圖，展示了低于閾值的量子糾錯能力，并朝著第三個里程碑邁進。

今天可驗證的量子優(yōu)勢的展示，標志著谷歌又邁出了關(guān)鍵的一步。它不僅彰顯了谷歌在探索量子實用應用方面的不懈努力，也增強了谷歌利用超導量子比特進行大規(guī)模復雜量子計算的信心。

谷歌在新聞稿中指出：“在我們邁向下一個里程碑——長壽命邏輯量子比特——之際，我們深知前方將面臨重重挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)最終目標，系統(tǒng)性能和規(guī)模將實現(xiàn)數(shù)量級的提升，數(shù)百萬個組件亟待開發(fā)和完善。盡管面臨重重障礙，我們?nèi)詫远ú灰频匮刂@條道路前行?！?/p>

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編輯：芯智訊-林子