谷歌量子研究重大突破，量子計算邁向實際應用跨出一大步

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

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

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伯克利分校。谷歌表示這一成果首次讓量子計算機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典超級計算機，而且將速度提高了 13000 倍。

通過這一成果谷歌計算出了相關分子的結構，為相關的實際應用鋪平了道路。正如望遠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象，讓谷歌朝著打造“量子望遠鏡”邁出了重要一步，也使其有望造出能夠助力實現科學重大發現的量子計算機。

（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）的名字出現在了作者欄。他告訴媒體，此次成果是量子領域的又一里程碑，標志著谷歌邁出了全面量子計算的新的一步。

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

用量子回聲算法實現可驗證的量子優勢

在介紹這一成果時，谷歌在官方博客中舉了一個例子。假設在船底尋找一艘失蹤的船只，聲吶技術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器（OTOC，out-of-time-order correlators）算法所帶來的首個可驗證的量子優勢，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的結構。目前，谷歌已經證明 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之一上的最佳經典算法還要快 13000 倍。在另一項名為“通過多體核自旋回波進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，它能比已有方法測量出更長的距離，并能使用核磁共振數據獲取有關化學結構的更多信息。

OTOC 還在高度糾纏的量子多體系統中展現出了量子關聯，這一關聯只有通過時間反轉技術才能實現。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制，并發現這一機制能夠賦予 OTOC 高度的經典模擬復雜度。基于這些結果，以及 OTOC 在解釋量子動力學細節上面的能力，能夠為通向實用的量子計算指明一條可行路徑。

研究之中，谷歌進行了一系列的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聯。對于這些量子關聯來說，此前通過時間反轉方法或數值方法是無法獲得的。而谷歌利用數字量子處理器獨特的可編程性來改變了干涉臂的數量，并在每個干涉臂之中插入噪聲或相干移相器。結果發現，與沒有時間反轉的可觀測量相比，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性干涉，而這也是利用傳統低階可觀測量所無法觀察到的。

如前所述，這是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可以在量子計算機或任何其他同等口徑上的量子計算機重復結果。也就是說，這種計算不僅是可重復的，而且超過了經典計算，故能讓量子計算機更加接近實際應用。

因此，作為一種高度先進的回聲技術，量子回聲能將一個精心設計的信號發送到谷歌 Willow 量子芯片上的量子比特里，通過擾動一個量子比特，來精確地逆轉信號的演化，并能夠監聽返回的“回聲”。這種量子回聲之所以特殊，是因為它會被相長干涉這樣一種量子波疊加增強的現象方法，從而能讓測量變得極其靈敏。

量子回聲算法的實現得益于 Willow 量子芯片的進步。2024 年，谷歌通過隨機電路采樣基準測試證明了 Willow 量子芯片的性能，并測量了量子態的最大復雜度。當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。

（來源：谷歌）

利用量子回聲發現核磁共振無法發現的信息

量子計算機能在量子力學現象的建模中發揮重要作用，例如用于分析原子和粒子的相互作用以及分子結構。在理解化學結構上，學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構。針對分子形狀和動力學進行建模，也是化學、生物學和材料科學的基礎，而這些建模結果能夠為從生物技術、到太陽能再到核聚變領域的進步奠定基礎。

在與美國加州大學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。結果顯示，在量子計算機上的結果與傳統核磁共振的結果一致，與此同時谷歌還發現了利用核磁共振無法發現的信息。據了解，這種量子計算的增強型核磁共振技術有望成為藥物研發的有力工具，幫助人們明確潛在藥物如何與靶標進行結合；也能在材料科學領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構。

總的來說，本次成果證明 OTOC 具有量子干涉效應，這使其對于量子動力學細節有著高度的敏感性。同時，谷歌還發現 OTOC 有著較高的經典模擬復雜度。因此，OTOC 是實現實用量子優勢的潛在候選者。

（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可以解決就連最快的經典超級計算機需要數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家進 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勢，是谷歌在通往量子計算首次應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并完成一些讓人興奮的科學任務依然并未真正照進現實，因為要想達到這一目標，就得讓量子計算機能夠容納數十萬個量子比特。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正在逐漸變得越來越強大。同為本次論文作者之一的谷歌工程副總裁哈特穆特·內文（Hartmut Neven）坦言，盡管 OTOC 取得了一定突破，但是距離實現量子計算機的實際應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。預計隨著人們逐漸邁向全面的、可就錯的量子計算機，未來也將催生出更多的實際應用。

參考資料：

相關論文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