谷歌量子回声算法的工作原理

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La 量子计算不再仅仅是理论。 开始介入有关医学、先进材料或网络安全的讨论。多年来，谷歌一直在努力证明这一点。 他们的量子计算机 这些不仅仅是引人注目的原型，而是具有实际应用价值的工具。凭借量子回声算法及其Willow芯片，该公司声称已经实现了可能改变这场技术竞赛节奏的里程碑式成就之一。

这个新算法， 乱序相关器 它旨在研究量子信息在复杂系统中的传播方式，其速度不仅惊人：根据已公布的数据，它处理同等任务的速度比最好的经典超级计算机快约13.000倍。但最引人注目的是，它是一种可验证的算法，这意味着其结果可以在其他类似的量子设备上重复验证——如果我们希望这项技术走出实验室，这一点至关重要。

量子回声究竟是什么？为什么大家都在谈论它？

量子回声是 OTOC型量子算法 （非时序相关器）。它的主要功能是测量量子系统经过一系列操作后，再“回溯”其演化过程，从而测量量子比特状态的变化。实际上，它充当量子混沌的温度计：通过测量磁化强度、密度、电流和速度等物理量，分析信息在量子比特集合中的分布情况。

谷歌提议​​将此算法用作一种…… 精心设计的量子回声首先，Willow芯片接收到一个复杂的量子信号，该信号会引起系统演化。然后，对特定的量子比特引入一个微小的扰动，随后执行相反的操作序列，试图撤销该过程。在整个过程结束时，系统会返回初始状态的量子“回声”，由于相长干涉，该回声会被放大，从而揭示出演化过程中发生的极其精确的信息。

从理论角度来看，这类乱序相关器用于研究 信息如何在极其复杂的系统中混合和传播例如描述黑洞或奇异量子材料的模型。此次研究的新颖之处在于，这些模型首次从理论走向实验室，通过可重复验证的实验得以实现，并且该实验还指向了非常具体的物理应用。

谷歌在两篇互补的论文中阐述了这些结果：一篇发表于…… 自然其中一篇论文侧重于展示该算法及其可验证的量子优势，而另一篇发表在arXiv预印本库中的论文则更侧重于其在化学和光谱学领域的潜在应用。发表在《自然》杂志上的这篇文章的作者之一是米歇尔·德沃雷，他是2025年诺贝尔物理学奖得主，也是超导量子比特发展领域的关键人物。

据该公司工程师称， 量子回声的运行速度比传统方法快13.000倍。 在柳树芯片上，最好的 等价经典算法 这项任务在世界上最强大的超级计算机上执行。实际上，经典计算机需要数千年甚至数万亿年才能解决的问题，Willow 只需几分钟就能完成，这标志着量子计算机已经具备了全面的优势。

量子计算基础知识，以理解算法

为了更清楚地了解量子回声的工作原理，值得记住的是： 量子计算机不使用经典比特。但使用量子比特则不同。一个比特只能是 0 或 1，而一个量子比特可以同时处于 0 和 1 的叠加态。这使得一组量子比特能够同时表示数量庞大的 0 和 1 的组合。

量子比特是通过操纵物理系统来实现的，例如： 光子、电子、囚禁离子、原子或超导电路谷歌和其他公司一样，正在投资超导量子比特，这是德沃雷特和其他研究人员在 20 世纪 80 年代发起的宏观量子电路实验的直接后代。这些量子比特可以纠缠，即共享一个共同的量子态，并形成概率像波一样组合的集体结构。

在此背景下，量子算法只不过是一种 逻辑门序列 应用于 重叠交织的量子比特网络随着电路的演化，概率幅值会通过干涉相互增强或抵消。关键在于设计算法，使得最终正确的解能够被放大，并在系统测量中成为概率最高的解。

建设性干涉是量子回声的关键之一，它发生在…… 量子波同相排列 它们会叠加而不是相互抵消。如果电路设计良好，这种效应会使算法的最终“回声”从背景噪声中清晰地凸显出来，从而能够非常灵敏地读取信息在系统中的传播方式，即使中间过程非常混乱。

这一切听起来都很强大，但同时也存在一个严重的问题： 量子系统在噪声面前的脆弱性温度、振动、电磁辐射或外部干扰的微小变化都可能导致量子比特出现误差，破坏系统的相干性，并最终导致计算失败。因此，量子误差控制和退相干抑制是该行业面临的两大挑战。

Willow芯片上量子回波技术的工作原理详解

柳树是最后一个 谷歌的超导量子芯片而这正是运行《量子回声》的硬件平台。这款处理器此前已因在五分钟内完成随机电路采样基准测试而备受瞩目——这项任务传统超级计算机即使花费数万亿亿年也无法完成。凭借《量子回声》，Willow 再次成为焦点。

该算法的基本方案可以理解为一种量子“时间倒流”体验，尽管 没有任何事物会被送回过去。该方法包括对系统执行一系列操作，对特定量子比特引入微小扰动，然后以极高的精度反向执行相同的操作序列。如果所有参数都经过适当调整，系统将恢复到接近其初始状态，并释放出包含丰富信息的干涉回波。

简单来说，该流程分为三个主要阶段：首先， 一组量子比特中可控的初始状态然后，允许该状态通过一系列量子门演化，使其变得高度复杂和混乱；最后，执行电路的时间反转，在过程中改变一个量子比特，并观察这种扰动如何影响最终回波。

这种装置的妙处在于，末端测得的回波并非微弱的反射，而是被放大的信号。 建设性干扰正因如此，这项技术对系统内部动态的微小变化极其敏感。谷歌正是利用了这种敏感性，将芯片的有效错误率呈指数级降低，最终达到了大规模纠错可行的阈值以下。

在一些已描述的实验中，量子计算机仅用了两个多小时就解决了问题，而世界上最强大的超级计算机之一——Frontier超级计算机——则需要更长时间才能完成。 大约 3,2 年的连续计算 执行等效的经典代码。这种巨大的性能差距，再加上该结果可以在 Willow 或其他类似质量的设备上重复验证，构成了所谓的“可验证的量子优势”的基础。

此外，谷歌使用的协议 如果没有实际应用，它就不仅仅是量子霸权的简单练习了。与以往专注于难以转化为现实世界的人工数学问题的实验不同，这里的算法用于模拟非常具体的物理过程：真实分子的结构和动力学，也通过核磁共振进行研究。

可验证的量子优势：这项突破有何不同之处

此前，许多关于“量子霸权”的声明都受到了批评，因为…… 目前尚不清楚如何独立验证这些结果。 也没有说明所解决的问题有何实际用途。例如，谷歌2019年的里程碑式成果是对随机电路采样进行计算，这项计算任何超级计算机都无法在合理的时间内完成，而且在实验室之外也没有任何实际用途。

通过《量子回声》，该公司试图通过一项从一开始就旨在解决这一争论的实验来平息争论。 可验证，并且可以把这个技巧教给任何想学的人。该算法的实现参数和配置可供其他拥有类似量子硬件的研究团队尝试复现。此外，量子模拟结果与使用成熟技术获得的经典物理测量结果进行了比较。

谷歌声称的“量子可验证性”基于两大支柱：首先，计算结果可以在其他类似的量子计算机上复现；其次，存在以下可能性： 将算法的输出与实验数据进行比较 在条件允许的情况下，可采用核磁共振成像或经典模拟方法进行验证。这种双重验证有力地证明了我们所面对的并非难以验证的数学技巧。

为了实现这种类型的演示，硬件必须结合 高速运行，错误率极低时间反演序列中的任何偏差都会破坏最终的回波。Willow 能够克服这一挑战而未发生崩溃，表明对超导量子比特的控制已经达到了惊人的水平，远比几年前成熟得多。

即便如此，一些专家仍呼吁保持谨慎。例如，马德里自治大学理论物理系的卡洛斯·萨宾等研究人员指出： 其他量子优势已经公布，并随后得到了验证。 虽然其他团队已经改进了经典算法或找到了使用传统计算机近似计算结果的方法，但科学界目前正在验证谷歌的实验在多大程度上划定了一个明确的界限。

在化学中的应用：分子、核磁共振和“量子镜”之梦

量子回声最引人注目的特点之一是它可用作一种工具，用于…… 化学模拟和量子光谱学谷歌与加州大学伯克利分校合作，在 Willow 上运行该算法，研究了两种分子：一种有 15 个原子，另一种有 28 个原子，并使用实验核磁共振 (NMR) 数据作为比较点。

磁共振成像（MRI）是医学磁共振成像的光谱学分支，它起到以下作用： 基于磁性“自旋”的分子显微镜 原子核自旋的探测。通过探测这些自旋对磁场和射频信号的响应，科学家可以推断出原子的相对位置，进而确定分子的结构。它是化学、生物学和材料科学领域的一项基础工具。

问题在于，当分子体积增大或自旋之间的相互作用变得更加复杂时， 传统的核磁共振数据解读方法成本极其高昂。 从计算角度来看，量子回声模型正是在此发挥作用：它能够追踪混沌系统的内部量子动力学，从而更有效地模拟长距离自旋之间的相互作用。

在与伯克利大学合作进行的概念验证中，使用量子算法获得了以下结果 它们与传统的核磁共振测量结果相吻合。 对于这两种分子而言，这首次有力地验证了该方法的有效性。此外，量子分析还揭示了通常无法通过经典技术获得的自旋动力学细节，表明该方法具有更高的灵敏度。

像阿肖克·阿乔伊（Ashok Ajoy）这样的研究人员，他既是谷歌量子人工智能的合作者，也是伯克利大学的教授，已经在谈论未来了。 能够超越当前极限的“量子光谱学”在这种情况下，将实验性核磁共振与量子回波等量子算法相结合，可以成为发现新药、更好地了解阿尔茨海默病等复杂疾病，或设计用于电池、聚合物甚至超导量子比特本身的先进材料的一流工具。

对医学、材料科学及其他行业的潜在影响

如果谷歌的承诺得以实现，量子回声可能是迈向真正意义上的第一步。 具有切实实际应用价值的量子计算机精确模拟多体量子系统的能力对计算化学等领域具有直接意义，因为在计算化学中，模拟复杂的电子相互作用对于经典计算来说几乎是一个无法克服的难题。

在生物医学领域，这意味着存在以下可能性： 更有效地探索候选药物分子的空间量子计算机可以帮助预测哪些结构最适合特定的生物靶点，从而加速神经退行性疾病、癌症或其他复杂疾病的治疗方法的开发，而不是盲目地测试数千种化合物。

在材料科学中，同样的逻辑也适用。 设计具有特定性能的新化合物更稳定的超导体、能量密度更高的电池材料、先进的聚合物，或者更轻更强的合金。对微观层面量子动力学的控制，决定了测试随机组合与通过可靠的模拟来微调结果之间的区别。

除此之外，还有对网络安全等领域的潜在影响。虽然量子回声本身并非旨在破解加密，但它是……的一部分。 正是这股进步浪潮，使得量子机器离实用化更近了一步。安全界已经在讨论“先收获后解密”的策略：即现在窃取数据，等到量子计算机出现后再进行解密，量子计算机能够破解当前的加密算法。这促使欧盟和ENISA等组织计划向后量子系统过渡。

从地缘政治层面来看，谷歌的这一举动符合…… 与 IBM、微软等巨头以及多家中国厂商展开激烈竞争中国的悟空平台，以及IBM在超导量子比特和长寿命逻辑量子比特方面的进展，都表明没有人愿意落后。谷歌所宣称的可验证的量子优势，除了是一项科学进步之外，也是其在这场竞赛中战略地位的体现。

科学界目前存在的局限性和质疑

并非一切都尽如人意。尽管量子回声实验代表着比以往里程碑式的进步，但多位专家强调： 我们显然仍处于实验阶段。目前，这些演示都是用相对较小的分子和量子电路进行的，虽然令人印象深刻，但距离解决大规模工业问题所需的技术还相差甚远。

根据谷歌自身收集的估计数据，要达到所需的分子数量级， 50 个具有相关复杂性的物理量子比特这将需要运行数十万到数百万个量子逻辑门。这个数字远远超过当前实验中使用的792个门，而且适用于这种规模的误差缓解技术可能无法很好地扩展到更深的电路。

反复出现的批评之一是，尽管演示显示出了真正的量子优势， 尚未证实其具有高影响力的实际应用价值。换句话说，该算法已经用于验证方法和研究可以用改进的经典技术处理的系统，但它还没有解决在特定的工业或医疗环境中经典计算完全无法解决的问题。

此外，纠错问题仍然是一个障碍。运行大规模量子计算机需要 由多个物理量子比特构建的稳健逻辑量子比特这样就能在不丢失信息的情况下检测和纠正单个错误。谷歌已将此目标确定为其量子路线图的第三个里程碑：实现能够承受运行复杂算法而不崩溃的长寿命逻辑量子比特。

尽管存在这些保留意见，但即使是最谨慎的人也承认： 量子回波可能是一个重要的初步步骤 朝着展示实际应用价值的方向发展。关键在于其他实验室能否复现实验结果，改进现有的经典算法，以及最重要的是，能否将这些技术扩展到拥有更多量子比特和更多量子门的系统中，同时避免误差急剧上升。

从宏观角度来看，《量子回声》正在逐渐成为一款…… 这清楚地表明，量子硬件和软件正在同步发展。Willow 证明了量子计算可以实现足够低的错误率，从而支持精细的时间反演协议；同时，该算法也为直接解决现实世界物理问题的应用打开了大门。尽管前路漫漫，但应用量子计算的最初迹象已开始显现。