Google宣布实现史上首次可验证量子优势

Google周三（10/22）宣布，其量子计算部门Google Quantum AI在最新的Willow芯片上成功运行名为“量子回声”（Quantum Echoes）的算法，实现史上首次可验证量子优势（Verifiable Quantum Advantage）。研究指出，该算法在模拟分子结构与核磁共振（NMR）数据分析时，运算速度是全球最快超级计算机执行相同任务的1.3万倍，并能重复验证结果。这项成果已被刊登于《Nature》，代表量子计算机正从理论展示迈向实际应用的新阶段，可能加速医药设计与材料科学等领域的突破。

Willow是Google于2024年底推出的第三代超导量子芯片，拥有105个物理量子比特。其关键突破在于能“随规模增加而降低错误率”（below-threshold），解决长期困扰量子系统的噪声问题。当时Google主要强调硬件层的稳定性与错误抑制，但尚未展示具体算法或应用实例。

本周发表的Quantum Echoes研究则代表从硬件基础突破进入算法与应用整合的新阶段。该算法通过乱序时间关联子（Out-of-Time-Order Correlator，OTOC）模型，模拟原子与分子间的量子干涉过程，并利用“量子回声”信号来验证运算结果的可重复性。

Google描述，想象正在试图在海底寻找一艘丢失的船，声纳技术可能会给你一个模糊的形状，并告诉你下面有一艘沉船，但Quantum Echoes不仅能看见沉船，还能解析出船身的铭牌字样。

Google指出，Quantum Echoes算法能模拟并学习自然界复杂系统的结构，如分子、磁体与黑洞等，且在Willow芯片上的执行速度约为传统超级计算机经典算法的1.3万倍。

这项成果的关键在于“可验证性”。过去量子计算机虽曾展示量子优势，但结果难以由他人重现或验证，常被批评缺乏实际意义。Google此次强调，Quantum Echoes的运算结果不仅能在自家量子系统上重复得到相同答案，也能由具备同等精度的其他量子计算机交叉验证。这种可重现的“量子回声”使其成为首个可验证的量子优势算法，为量子计算建立了评估与比对的标准，并让量子硬件真正具备科研应用的可靠性。

研究团队指出，Quantum Echoes的验证方法是通过向量子系统注入精确控制的信号，再以时间反演的方式回收信号，观察干扰形成的回声强度。这种相长干涉（Constructive Interference）让微弱的量子信号得以被放大，使系统对原子层级的变化极为敏感。Google认为，这种能力可用于验证分子结构、磁性材料甚至黑洞动力学模型，并预示量子计算机将从理论展示转向实验科学的实际工具。

全球主要研究机构，如IBM、IonQ与Rigetti等，皆在竞相开发错误纠正与逻辑量子比特架构，中国科学技术大学也持续推进光量子计算。Google则将重心放在实现长寿命逻辑量子比特（Long-lived Logical Qubit），以构建具备容错能力的量子计算机。研究团队表示，若未来能将Quantum Echoes应用于更大规模的分子模拟与化学反应分析，量子技术将真正跨入可验证、可重现及可应用的实用时代。