谷歌今天聲稱，其 Willow 量子芯片通過在最快的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)上成功運(yùn)行比經(jīng)典算法快 13,000 倍的量子算法，實(shí)現(xiàn)了比經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的量子優(yōu)勢(shì)。如果成功，這將是量子計(jì)算機(jī)首次獲得量子優(yōu)勢(shì)。

谷歌在《自然》雜志上發(fā)表了其證明，該公司表示，其實(shí)驗(yàn)表明，無序時(shí)間相關(guān)器 （OTOC） 算法（稱為量子回波）在 Willow 上的運(yùn)行速度比世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一上最好的經(jīng)典算法快 13,000 倍。

“這是歷史上第一次有量子計(jì)算機(jī)成功運(yùn)行超越超級(jí)計(jì)算機(jī)能力的可驗(yàn)證算法，”谷歌量子人工智能創(chuàng)始人兼負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文和谷歌量子測(cè)路總監(jiān)瓦迪姆·斯梅揚(yáng)斯基在今天的一篇博文中寫道。

“量子可驗(yàn)證性意味著結(jié)果可以在我們的量子計(jì)算機(jī)或任何其他相同口徑的量子計(jì)算機(jī)上重復(fù)，以獲得相同的答案，從而確認(rèn)結(jié)果，”他們繼續(xù)說道?！斑@種可重復(fù)的、超越經(jīng)典的計(jì)算是可擴(kuò)展驗(yàn)證的基礎(chǔ)，使量子計(jì)算機(jī)更接近成為實(shí)際應(yīng)用的工具?！?/p>

Google Willow是谷歌于2024年12月推出的一款超導(dǎo)量子芯片。該芯片使用 105 個(gè)超導(dǎo) transmon 量子比特來執(zhí)行量子計(jì)算。當(dāng)谷歌推出這款芯片時(shí)，它聲稱 Willow 在五分鐘內(nèi)完成了一項(xiàng)糾錯(cuò)任務(wù)，而世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)將花費(fèi) 10 個(gè)七分之一年的時(shí)間。

研究人員和從業(yè)者都在關(guān)注量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展中有兩個(gè)里程碑。第一種被稱為量子優(yōu)勢(shì)，即量子計(jì)算機(jī)比任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快或更準(zhǔn)確地解決實(shí)際問題。行業(yè)觀察家的最佳估計(jì)認(rèn)為，我們可能還需要幾年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，但在谷歌宣布這一消息后，他們可能需要重新評(píng)估他們的假設(shè)。

第二個(gè)里程碑，量子霸權(quán)，可以說更重要，因?yàn)樗鼧?biāo)志著量子計(jì)算機(jī)證明它可以在合理的時(shí)間內(nèi)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。行業(yè)觀察家指出，我們距離實(shí)現(xiàn)量子霸主地位還有很長(zhǎng)時(shí)間。

量子回波實(shí)驗(yàn)就像一個(gè)高度先進(jìn)的回聲。“我們將精心制作的信號(hào)發(fā)送到我們的量子系統(tǒng)（Willow 芯片上的量子比特），擾動(dòng)一個(gè)量子比特，然后精確地逆轉(zhuǎn)信號(hào)的演變以監(jiān)聽返回的'回聲'，”Neven 和 Smelyanskiy 寫道?！斑@種量子回波很特別，因?yàn)樗幌嚅L(zhǎng)干涉放大——量子波加起來變得更強(qiáng)的現(xiàn)象。這使得我們的測(cè)量非常靈敏。

谷歌在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為“量子遍歷性邊緣相長(zhǎng)干涉的觀察”的文章中發(fā)表了其對(duì)量子回波和柳樹的研究。該公司計(jì)劃在今天晚些時(shí)候在 arXiv 上發(fā)布第二篇論文的預(yù)印本，題為“通過多體核自旋回波對(duì)分子幾何的量子計(jì)算”。

第二篇論文描述了它與加州大學(xué)伯克利分校合作進(jìn)行的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。這些小組在 Willow 上運(yùn)行量子回波算法來研究?jī)蓚€(gè)分子，一個(gè)有 15 個(gè)原子，另一個(gè)有 28 個(gè)原子。

“我們量子計(jì)算機(jī)上的結(jié)果與傳統(tǒng)核磁共振的結(jié)果相匹配，并揭示了通常無法從 NMR 獲得的信息，這是對(duì)我們方法的關(guān)鍵驗(yàn)證，”Neven 和 Smelyanskiy 寫道。

作者寫道，QC 增強(qiáng)核磁共振可以通過幫助確定潛在藥物如何與其靶標(biāo)結(jié)合，或在材料科學(xué)中表征新材料（例如聚合物、電池組件甚至其他量子位）的分子結(jié)構(gòu)，從而成為藥物發(fā)現(xiàn)的有力工具。

“我們的量子回波算法首次展示了有史以來第一個(gè)可驗(yàn)證的量子優(yōu)勢(shì)，標(biāo)志著朝著量子計(jì)算的首次實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步，”Neven 和 Smelyanskiy 寫道?！半S著我們向全尺寸、糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展，我們預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)明更多此類有用的實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)在，我們專注于實(shí)現(xiàn)量子硬件路線圖上的里程碑 3，即長(zhǎng)壽命的邏輯量子比特。