谷歌突破性"量子回波"算法——比超級計算機快13000倍

這款名為"量子回波"的新型量子計算算法，是首款可以通過在另一臺量子計算機上運行來進行獨立驗證的算法。

谷歌科學家創建了一種新算法，它能在量子處理器上以比世界最快超級計算機快13,000倍的速度解決問題。他們表示，這讓我們朝著在藥物發現、材料科學及許多其他科學應用中運用量子計算機的目標又邁進了一步。

研究人員表示，這款名為"量子回波"的新算法是一項突破，因為它不僅實現了量子優勢，更是首款能夠通過在另一臺量子計算機上運行來進行獨立驗證的此類算法。

量子回波算法是在谷歌Willow量子處理單元上運行的基準測試實驗中取得其超快結果的。研究人員在10月22日發表于《自然》雜志的一項新研究中概述了該算法的工作原理。

"量子算法告訴量子計算機如何以最有效的方式解決問題，類似于經典計算中的軟件開發，"負責完成這項工作的谷歌量子AI研究科學家米曉通過電子郵件表示。"無論是經典計算還是量子計算，要想在未來幫助解決問題，軟件和硬件元素都必須存在并協同工作。"

雖然科學家們在第一項研究中展示了新算法的量子優勢，但他們還想證明它可以用來解決實際問題。在10月22日發表于arXiv預印本數據庫的第二項研究中，同一團隊設計了一個量子電路來模擬核磁共振光譜學實驗室中分子的動力學。

在此過程中，他們發現了分別具有15個和28個原子的兩種分子 —— [4-13C]-甲苯和[1-13C]-3',5'-二甲基聯苯 —— 在原子間距和結構方面先前未知的細節。

該團隊在研究報告中表示，本次實驗中使用的系統規模較小（15個量子比特），但未來的工作將使研究人員能夠模擬比現在大四倍的分子 —— 這個尺度是經典模擬無法企及的。

源自過去的回波

這項新研究建立在始于20世紀80年代、由加州大學物理學教授、谷歌量子AI量子硬件首席科學家米歇爾·德沃雷的研究工作基礎之上，是數十年努力的成果。德沃雷因其工作成為2025年諾貝爾物理學獎的共同獲獎者，并且是這項研究的合著者。

"今天，我們宣布這一突破性算法，它實際上標志著計算完成的又一個里程碑，其計算量是可驗證的。因此，如果另一臺量子計算機進行同樣的計算，結果將是相同的。所以這標志著我們在邁向全面量子計算的道路上又踏出了新的一步，"德沃雷在一次新聞發布會上說。"這款量子回波算法不僅是可驗證的——其結果可以被另一臺類似的量子計算機獲得 —— 而且它呈現出量子優勢；它實現的計算所需時間將遠超經典硬件。"

量子回波算法分幾個階段工作，相當于一種高度先進的"回波"：將信號發送到量子系統中，然后反轉操作以"聆聽"返回的"回波"，這一切都通過相長干涉（一種量子波疊加增強的現象）得到放大。

首先，科學家們在Willow QPU上的一個105量子比特糾纏陣列上運行一系列操作（即量子門）。接著，在反向運行完全相同的操作之前，對一個量子比特進行擾動或使其偏離。結果產生了一種奇特的"蝴蝶效應"，可用于揭示量子系統的信息。科學家隨后使用該算法測量了兩種分子中原子之間的距離。

為了確認該算法在Willow上與在經典超級計算機上的性能表現，科學家們進行了嚴格的"紅隊"測試，借鑒網絡安全方法來驗證結果的穩健性。這些測試相當于運行了10年之久。

"當然，這相當于向任何懷疑者發出了挑戰，讓他們嘗試用經典方法重現其結果，"德克薩斯大學奧斯汀分校計算機科學系主任斯科特·阿倫森表示。"與之前的量子霸權演示相比，這里最大的優勢在于輸出是一個單一的數字，而不是來自某個分布的樣本，因此原則上是可以有效驗證的 —— 即使不使用經典計算機，至少可以使用第二臺量子計算機來驗證。"

阿倫森補充說，可驗證的量子霸權是該領域最大的挑戰之一。他指出，谷歌在這兩項新研究中的目標不是解決具有商業用途的問題，而是要獲得相對于經典計算機的明確優勢，并使另一臺量子計算機能夠獨立驗證答案。

谷歌于去年12月發布了Willow量子計算芯片。這款新處理器證明，隨著量子比特數量的增加，發生的錯誤呈指數級減少，這標志著量子計算研究的一個關鍵里程碑。但是，僅靠硬件改進是不夠的 —— 即使機器能夠擴展到擊敗經典計算所需的數百萬量子比特。正如米曉所指出的，這是因為軟件和硬件組件需要協同工作，才能找到解決問題的最有效途徑。

谷歌科學家聲稱，我們將在短短五年內開始看到只有量子計算機才能實現的實用應用。然而，我們仍然需要升級硬件，以便機器能夠以數百萬量子比特的規模運行 —— 這在今天是難以想象的，因為最強大的量子計算機也只有幾百或幾千個量子比特。

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