比經典超算快13000倍，谷歌芯片實現量子計算新突破

谷歌當地時間周三在《自然》雜志披露與Willow芯片相關的量子計算突破性研究成果。該公司稱這是歷史上首次證明量子計算機可在硬件上成功運行一項可驗證算法，其性能甚至超越了最快的經典超級計算機（速度快 13000 倍）。

Willow是谷歌于去年12月宣布推出的量子芯片。當時，Willow量子芯片在5分鐘內完成了一項傳統超級計算機需要“10的25次方”年的時間才能完成的標準基準計算任務。而此次谷歌披露量子可驗證性意味著，該結果可在谷歌的量子計算機（或其他同等水平的量子計算機）上重復得出，從而確認結果的準確性。這種可重復、超越經典計算的能力，是可擴展驗證的基礎。

谷歌稱該算法的突破是量子計算邁向實際應用的重要一步，能夠讓人類離能推動醫學、材料科學等領域重大發現的量子計算機更近一步。

圖片來源：谷歌博客

量子計算自上世紀80年代被提出以來，一直是科技圈關注的焦點，過去幾年來，包括谷歌、微軟，IBM等大廠都在研發量子計算機。早在2019年，谷歌曾在《Nature》發布了一項量子計算突破，在世界第一超級計算機Summit需要計算1萬年的實驗中，谷歌研究的量子計算機只用了短短3分20秒。當時，谷歌CEO桑達爾·皮查伊（Sundar Pichai）將此次突破比作“萊特兄弟的首飛”。

而此次谷歌披露的新技術Quantum Echoes（量子回聲）的運作方式類似一種高度先進的回聲。通過向量子系統（Willow 芯片上的量子比特）發送精心設計的信號，擾動其中一個量子比特，隨后精確逆轉信號的演化過程，以 “聆聽” 返回的 “回聲”。這種量子“回聲”的特別之處在于，它會通過相長干涉得到放大 —— 這是一種量子波疊加后強度增強的現象，這使得測量具備極高的靈敏度。

谷歌博客披露四步流程

打個比方，如果人類正在嘗試尋找一艘沉入海底的失蹤船只。聲吶技術或許能為人類提供一個模糊的輪廓，并告知“海底有一艘沉船”。但谷歌借助 Willow 量子芯片實現的精度，不僅能找到這艘船，還能看清船身的銘牌。

該量子計算機的突破，未來有望在模擬量子力學現象方面發揮關鍵作用。谷歌在博客中舉例，科學家用于研究化學結構的工具之一是核磁共振（NMR），其原理與磁共振成像（MRI）技術相同。核磁共振就像一臺 “分子顯微鏡”，能夠讓人們看到原子的相對位置，從而幫助理解分子結構。模擬分子的形狀和動態變化是化學、生物學和材料科學的基礎，相關領域的進展將為生物技術、太陽能、核聚變等領域的發展提供支撐。

在與加州大學伯克利分校合作開展的一項原理驗證實驗中，谷歌在 Willow 芯片上運行 “量子回聲” 算法，對兩個分子（分別包含 15 個原子和 28 個原子）進行了研究，以驗證該方法的有效性。量子計算機得出的結果與傳統核磁共振技術的結果一致，且揭示了傳統核磁共振通常無法獲取的信息，這對該方法的有效性是至關重要的驗證。

谷歌量子AI合作者、加州大學伯克利分校化學助理教授Ashok Ajoy在博客中表示，該算法展示了量子計算機有效模擬和解析這些自旋之間復雜相互作用的潛力，甚至可能跨越長距離。隨著量子計算的持續發展，這種方法可以增強NMR光譜學，為其強大的藥物發現和先進材料設計工具庫增添新工具。

正如望遠鏡和顯微鏡曾為人類打開全新的未知世界，谷歌稱這項實驗也邁向了一臺能夠測量此前無法觀測的自然現象的 “量子觀測儀”。量子計算增強型核磁共振技術有望成為藥物研發領域的強大工具，助力確定潛在藥物與靶點的結合方式；也可應用于材料科學，用于表征聚合物、電池組件乃至量子比特構成材料等新型材料的分子結構。

在此前與媒體的交流中，谷歌量子計算團隊對記者提到，已經在研究中看到了指數級的加速，這意味著量子人工智能與人工智能相比，能更好地解決難題。他們希望在未來一兩年內達到又一個里程碑，在本世紀末擁有一臺容錯的量子計算機，然后繼續擴大規模。