不久前，谷歌量子人工智能部門首席科學(xué)家米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）剛和他人一并獲得 2025 年諾貝爾物理學(xué)獎，時隔不久他又和團(tuán)隊在 Nature 發(fā)表了一篇封面論文。

圖 | 米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）（來源：諾貝爾獎官網(wǎng)）

10 月 22 日，這篇論文正式刊登。論文作者主要來自谷歌和美國加州大學(xué)伯克利分校。谷歌表示這一成果首次讓量子計算機(jī)能在硬件上運行可驗證算法，不僅超過了此前速度最快的經(jīng)典超級計算機(jī)，而且將速度提高了 13000 倍。

通過這一成果谷歌計算出了相關(guān)分子的結(jié)構(gòu)，為相關(guān)的實際應(yīng)用鋪平了道路。正如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡讓人們看到了新世界一樣，此次成果也能測量那些此前人們無法觀測的自然現(xiàn)象，讓谷歌朝著打造“量子望遠(yuǎn)鏡”邁出了重要一步，也使其有望造出能夠助力實現(xiàn)科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)的量子計算機(jī)。

（來源：https://www.nature.com/nature/volumes/646/issues/80）

在此次論文中，米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）的名字出現(xiàn)在了作者欄。他告訴媒體，此次成果是量子領(lǐng)域的又一里程碑，標(biāo)志著谷歌邁出了全面量子計算的新的一步。

圖 | 相關(guān)論文（來源：https://www.nature.com/articles/s41586）

用量子回聲算法實現(xiàn)可驗證的量子優(yōu)勢

在介紹這一成果時，谷歌在官方博客中舉了一個例子。假設(shè)在船底尋找一艘失蹤的船只，聲吶技術(shù)可能只會給到一個模糊的輪廓，并告訴你那里有一艘沉船。而通過谷歌 Willow 量子芯片則能讓你不僅找到這艘船，甚至還能讀出這艘船上的銘牌。在本次論文里，谷歌介紹了運行亂序時間相關(guān)器（OTOC，out-of-time-order correlators）算法所帶來的首個可驗證的量子優(yōu)勢，谷歌將其稱之為是“量子回聲”。

量子回聲可被用于了解從分子到磁鐵再到黑洞的自然界系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。目前，谷歌已經(jīng)證明 OTOC 算法在 Willow 量子芯片上的運行速度比此前全球最快的超級計算機(jī)之一上的最佳經(jīng)典算法還要快 13000 倍。在另一項名為“通過多體核自旋回波進(jìn)行分子幾何的量子計算”的原理驗證實驗上，谷歌展示了一項名為“分子尺”的技術(shù)，它能比已有方法測量出更長的距離，并能使用核磁共振數(shù)據(jù)獲取有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)的更多信息。

OTOC 還在高度糾纏的量子多體系統(tǒng)中展現(xiàn)出了量子關(guān)聯(lián)，這一關(guān)聯(lián)只有通過時間反轉(zhuǎn)技術(shù)才能實現(xiàn)。研究中，谷歌在量子演化過程中插入泡利算符，使得海森堡圖像中泡利弦的相位變得隨機(jī)化，這樣一來就能顯著改變 OTOC 的測量值，從而能夠揭示在位形空間中形成大環(huán)路的泡利弦之間的相長干涉。谷歌在研究中還觀察到一個干涉機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制能夠賦予 OTOC 高度的經(jīng)典模擬復(fù)雜度?；谶@些結(jié)果，以及 OTOC 在解釋量子動力學(xué)細(xì)節(jié)上面的能力，能夠為通向?qū)嵱玫牧孔佑嬎阒该饕粭l可行路徑。

研究之中，谷歌進(jìn)行了一系列的OTOC 實驗，并利用干涉框架來理解不同的路徑及其組合如何揭示了量子關(guān)聯(lián)。對于這些量子關(guān)聯(lián)來說，此前通過時間反轉(zhuǎn)方法或數(shù)值方法是無法獲得的。而谷歌利用數(shù)字量子處理器獨特的可編程性來改變了干涉臂的數(shù)量，并在每個干涉臂之中插入噪聲或相干移相器。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與沒有時間反轉(zhuǎn)的可觀測量相比，OTOC 對于這些擾動更加敏感。與此同時，谷歌還揭示了 OTOC 對于泡利弦之間的建設(shè)性干涉，而這也是利用傳統(tǒng)低階可觀測量所無法觀察到的。

如前所述，這是量子計算機(jī)首次成功運行超越超級計算機(jī)能力的可驗證算法。量子可驗證性意味著可以在量子計算機(jī)或任何其他同等口徑上的量子計算機(jī)重復(fù)結(jié)果。也就是說，這種計算不僅是可重復(fù)的，而且超過了經(jīng)典計算，故能讓量子計算機(jī)更加接近實際應(yīng)用。

因此，作為一種高度先進(jìn)的回聲技術(shù)，量子回聲能將一個精心設(shè)計的信號發(fā)送到谷歌 Willow 量子芯片上的量子比特里，通過擾動一個量子比特，來精確地逆轉(zhuǎn)信號的演化，并能夠監(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這樣一種量子波疊加增強(qiáng)的現(xiàn)象方法，從而能讓測量變得極其靈敏。

量子回聲算法的實現(xiàn)得益于 Willow 量子芯片的進(jìn)步。2024 年，谷歌通過隨機(jī)電路采樣基準(zhǔn)測試證明了 Willow 量子芯片的性能，并測量了量子態(tài)的最大復(fù)雜度。當(dāng)量子回聲算法能夠模擬物理實驗，這意味著它不僅可以測試復(fù)雜度，還可以測試最終計算的精度，基于此谷歌將這稱之為“量子可驗證”，因為其結(jié)果可以通過另一臺質(zhì)量相近的量子計算機(jī)進(jìn)行交叉基準(zhǔn)測試和驗證。

（來源：谷歌）

利用量子回聲發(fā)現(xiàn)核磁共振無法發(fā)現(xiàn)的信息

量子計算機(jī)能在量子力學(xué)現(xiàn)象的建模中發(fā)揮重要作用，例如用于分析原子和粒子的相互作用以及分子結(jié)構(gòu)。在理解化學(xué)結(jié)構(gòu)上，學(xué)界一直以來使用的工具之一是核磁共振，它與核磁共振成像背后的科學(xué)原理是相同的。核磁共振就像是一臺分子顯微鏡，能夠讓人看到原子的相對位置，從而幫助人們理解分子結(jié)構(gòu)。針對分子形狀和動力學(xué)進(jìn)行建模，也是化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，而這些建模結(jié)果能夠為從生物技術(shù)、到太陽能再到核聚變領(lǐng)域的進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。

在與美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作開展的原理驗證試驗中，谷歌和后者在 Willow 量子芯片上運行了量子回聲算法，并研究了兩個分子，其中一個分子包含 15 個原子，另一個分子包含 28 個原子。結(jié)果顯示，在量子計算機(jī)上的結(jié)果與傳統(tǒng)核磁共振的結(jié)果一致，與此同時谷歌還發(fā)現(xiàn)了利用核磁共振無法發(fā)現(xiàn)的信息。據(jù)了解，這種量子計算的增強(qiáng)型核磁共振技術(shù)有望成為藥物研發(fā)的有力工具，幫助人們明確潛在藥物如何與靶標(biāo)進(jìn)行結(jié)合；也能在材料科學(xué)領(lǐng)域幫助人們表征聚合物和電池組件，以及找出新材料的分子結(jié)構(gòu)。

總的來說，本次成果證明 OTOC 具有量子干涉效應(yīng)，這使其對于量子動力學(xué)細(xì)節(jié)有著高度的敏感性。同時，谷歌還發(fā)現(xiàn) OTOC 有著較高的經(jīng)典模擬復(fù)雜度。因此，OTOC 是實現(xiàn)實用量子優(yōu)勢的潛在候選者。

（來源：谷歌）

事實上，這一成果建立在谷歌多年來的積累之上。2019 年，谷歌證明量子計算機(jī)可以解決就連最快的經(jīng)典超級計算機(jī)需要數(shù)千年才能解決的問題。2024 年，谷歌 Willow 量子芯片通過抑制誤差解決了困擾科學(xué)家進(jìn) 30 年的難題。而此次量子回聲算法則首次展示了可驗證的量子優(yōu)勢，是谷歌在通往量子計算首次應(yīng)用之路上的里程碑之一。

但是，要想打造完全容錯的量子計算機(jī)并完成一些讓人興奮的科學(xué)任務(wù)依然并未真正照進(jìn)現(xiàn)實，因為要想達(dá)到這一目標(biāo)，就得讓量子計算機(jī)能夠容納數(shù)十萬個量子比特。盡管谷歌的此次成果無法被稱之為“具有革命性”，但也再次有力地證明了量子計算機(jī)正在逐漸變得越來越強(qiáng)大。同為本次論文作者之一的谷歌工程副總裁哈特穆特·內(nèi)文（Hartmut Neven）坦言，盡管 OTOC 取得了一定突破，但是距離實現(xiàn)量子計算機(jī)的實際應(yīng)用可能依然需要五年時間左右。

目前，谷歌也正在致力于實現(xiàn)量子硬件計算圖上的第三個里程碑——長壽命邏輯量子比特。預(yù)計隨著人們逐漸邁向全面的、可就錯的量子計算機(jī)，未來也將催生出更多的實際應(yīng)用。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6

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

https://www.theguardian.com/technology/2025/oct/22/google-hails-breakthrough-as-quantum-computer-surpasses-ability-of-supercomputers