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Google今（23）日發(fā)表一項重大研究，歷史上首次展示了量子電腦能在硬體上成功運行可驗證的演算法，速度甚至超越了最快的傳統(tǒng)超級電腦達(dá)到13,000倍。此基於數(shù)十年的努力和6年的重大突破之上，既能計算分子結(jié)構(gòu)，並為量子運算的實際應(yīng)用奠定穩(wěn)健的基礎(chǔ)。

Google 推出「量子迴聲」演算法：邁向量子運算實際應(yīng)用的重要里程碑

回顧2019年，Google率先分享了透過量子電腦，就能解決一個超級電腦最快需要數(shù)千年才能解決的問題。例如在2024年底推出的新款Willow量子晶片，便展示了如何大幅抑制錯誤，解決了近30年來困擾科學(xué)家的一個主要問題，得以更接近能推動醫(yī)藥和材料科學(xué)等領(lǐng)域重大發(fā)現(xiàn)的量子電腦。

正如剛發(fā)表於《自然》（Nature）期刊的內(nèi)容，Google也展現(xiàn)了史上首次可驗證的量子優(yōu)勢，運行了被稱之為「量子迴聲」（Quantum Echoes）的「亂序時間相關(guān)器」（OTOC）演算法，將有助於學(xué)習(xí)自然界從分子、磁鐵到黑洞等各種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；且在Willow晶片上的運行速度，也比起現(xiàn)今全球最快超級電腦的最佳經(jīng)典演算法快上13,000倍。

依Google形容該技術(shù)，就如同一種高度先進(jìn)的「迴聲」原理，先向Willow 晶片上的量子位元發(fā)送一個精心設(shè)計的訊號，並擾動其中一個量子位元後。接著精確反轉(zhuǎn)訊號的演進(jìn)，聆聽傳回的「迴聲」，將會被「建設(shè)性干涉」（constructive interference）放大，而成為量子波疊加後變得更強(qiáng)的現(xiàn)象，使之測量極其靈敏。

此「量子迴聲」演算法的實現(xiàn)，得益於Willow晶片在量子硬體上的進(jìn)步，繼2024年透過「隨機(jī)電路採樣」（Random Circuit Sampling）基準(zhǔn)測試，證明了其能測量最大的量子態(tài)複雜度；同時代表了一種新型態(tài)的挑戰(zhàn)，可用來測試最終計算的精確度。

這也是歷史上首次有量子電腦成功運行一個可驗證的、超越超級電腦能力的演算法?！噶孔涌沈炞C性」（Quantum verifiability）意味此結(jié)果可以在量子電腦，或任何其他同等級的電腦上被重複執(zhí)行，進(jìn)行交叉基準(zhǔn)測試和驗證，並得到相同的答案，成為實現(xiàn)可規(guī)模化驗證的基礎(chǔ)，使量子電腦更接近實際應(yīng)用的工具。為了同時提供精確度和複雜度，硬體必須具備兩個關(guān)鍵特性：極低錯誤率和高速運算。

在另一項獨立的概念驗證實驗，Google也透過多體核自旋迴聲進(jìn)行分子幾何的量子計算，展示了關(guān)於「分子尺」這項新技術(shù)，如何能測量比現(xiàn)今方法更長的距離；並利用核磁共振（NMR）的數(shù)據(jù)，來獲取更多關(guān)於化學(xué)結(jié)構(gòu)的資訊。

由於量子電腦將在模擬量子力學(xué)現(xiàn)象方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，科學(xué)家們用來理解化學(xué)結(jié)構(gòu)的工具之一是核磁共振（NMR），與醫(yī)院的核磁共振造影（MRI）技術(shù)背後的科學(xué)相同。NMR 就像一個分子顯微鏡，強(qiáng)大到足以發(fā)現(xiàn)原子的相對位置，理解分子的結(jié)構(gòu)，將支持著從生物技術(shù)到太陽能、乃至核融合等領(lǐng)域的發(fā)展。

正如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡開闢了全新、未見的世界，這項實驗是邁向「量子顯微鏡」（quantum-scope）的重要一步，未來其將有能力測量以前無法觀測到的自然現(xiàn)象。由量子運算增強(qiáng)的 NMR可望成為藥物開發(fā)的強(qiáng)大工具，幫助確定潛在藥物如何與其標(biāo)靶結(jié)合；或在材料科學(xué)中，用於鑑定新材料，如聚合物、電池組件，甚至構(gòu)成量子位元（qubit）材料的分子結(jié)構(gòu)。進(jìn)而用來發(fā)展出量子硬體發(fā)展藍(lán)圖中的第三個里程碑，一個長壽的邏輯量子位元（logical qubit）。