谷歌芯片实现量子计算新突破，比超算快13000倍

电子发烧友综合报道 日前，谷歌宣布其量子计算机取得突破性进展，使用一种名为“量子回声（Quantum Echoes）”的算法，在量子芯片Willow上完成了传统超级计算机无法胜任的任务，使量子计算机在特定任务上的运行速度比传统超级计算机快13000倍，并且这种算法可以在类似平台上得到重现。

量子比特极易受到环境干扰，导致计算错误，这成为量子计算走向实用的一大阻碍。而谷歌的Willow芯片成功实现了低于表面码阈值的量子纠错，解决了困扰科学家近30年的重大难题。

表面码是一种常用的量子纠错方法，通过将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特来降低出错率。谷歌的Willow芯片中，逻辑量子比特的数量每增加一次，错误率就会降低一半。例如，码距为7的错误率是码距为5的一半，码距为5的错误率又是码距为3的一半。这种指数级降低错误率的能力，使得在增加量子比特数量的同时，系统能够更加稳定地运行，为构建足够精确且实用的量子计算机奠定了坚实基础。

谷歌借助Willow芯片，首次成功运行了“量子回声”（Quantum Echoes）算法，实现了可验证的量子优势。该算法的核心是测量一种被称为OTOC（out-of-time-order correlator，时序无序关联函数）的量子可观测量。这是一种用于研究量子系统中信息如何传播和混合的新指标。

“量子回声”算法的运作方式类似一个高度先进的回声定位系统。研究人员向Willow芯片上的量子比特发送精心设计的信号，扰动其中一个量子比特，然后精确地逆转信号的演化过程，并“聆听”返回的“回声”。这种量子“回声”会通过相长干涉现象得到放大，使得测量过程具备极高的灵敏度。通过这种方式，谷歌团队展示了首个可在硬件上运行并实现可验证量子优势的算法，其计算结果可以在谷歌的量子计算机或其他同等级别的量子计算机上重复运行，并得到相同的答案，从而确认结果的准确性。

Willow芯片展现出了惊人的计算速度。在随机电路采样（RCS）基准测试中，它不到5分钟就完成了一项计算，而当今最快的超级计算机需要“10的25次方”年才能完成。这个数字远远超过了宇宙的年龄，证实了量子计算发生在许多平行宇宙中的观点，与多元宇宙理论相吻合。此外，运行“量子回声”算法时，Willow芯片的表现同样惊艳，其速度比目前最快的超级计算机快约13000倍。

Willow芯片在保证高速计算的同时，还具备高度的精准性和稳定性。在其105个量子比特阵列中，单量子比特门的保真度达99.97%，纠缠门的保真度达99.88%，读取保真度达99.5%，所有操作均以数十至数百纳秒的突破性速度运行。这些高精度量子门使得谷歌能够执行高度复杂的量子回声算法，该算法涉及大规模量子干涉与纠缠，将研究成果推向了超越传统计算机算力的水平。

谷歌量子芯片的突破为科学研究开辟了新的道路。在药物研发领域，它能够精确模拟分子的结构和动态变化，帮助科学家更好地理解药物与靶点的结合方式，加速新药的研发进程。在材料科学方面，可以用于表征新型材料的分子结构，为先进材料的设计提供有力支持。