谷歌量子计算机实现超算碾压：我们算对了

10月23日消息，要让量子计算机真正改写计算领域的版图，科学家们必须能够确保机器给出的答案真实可靠。如今，研究人员终于看到了令人鼓舞的曙光。

一支研究团队宣称，谷歌的Willow量子芯片实现了“可验证的量子优势”。这意味着它完成了一项传统计算机看似无法胜任、但结果却能通过验证的量子计算任务。相关成果已于10月22日发表在《自然》(Nature)期刊。从理论上讲，这项结果可以由另一台量子计算机进行验证，不过目前这一步骤尚未完成。

可验证性正是量子计算迈向实际应用的关键环节。谷歌量子AI部门驻加州圣塔芭芭拉实验室的物理学家汤姆·奥布莱恩(Tom O’Brien)在10月17日的发布会上指出：“如果连数据是否正确都无法证明，我们又怎能放心地将它用于实际场景呢？”

该计算任务测量的是一种被称为“量子回波”(quantum echoes)的物理现象。Willow完成该计算的速度，比全球顶尖超级计算机之一的Frontier快了约1.3万倍。整套计算若在Frontier上运行，需要约150年时间，因此采用经典计算方式实际不可行；而Willow仅耗费了数日。

未参与该研究的麻省理工学院量子物理学家阿拉姆·哈罗(Aram Harrow)对此评价道：“一个颇具说服力的观点是，要想用经典计算机模拟这一过程，需要巨大的算力投入，而且人们尚未提出更优化的算法；不过若能设计出这样的算法，也并非天方夜谭。”过去许多关于“量子优势”的宣称，常因后来出现的经典算法改进而被推翻。

同样未参与该研究的德克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学家斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)指出，以往一些声称实现量子优势的工作虽有一定验证机制，但验证效率并不高——例如，随着计算规模扩大，验证时间呈指数级增长。相较之下，谷歌这次的新计算若能由另一台性能相近的量子计算机进行验证，效率将大幅提升。

阿伦森表示，高效可验证的量子优势一直是该领域近年来面临的最大挑战之一。“这项研究是一个非常有力的候选者。”

哈罗进一步补充说，更理想的情况是能够通过经典计算机验证量子算法。比如最著名的量子算法之一“肖尔算法(Shor’s algorithm)”，它能够将一个极大的整数分解为两个质因数。对足够大的数字而言，这项任务若交给经典计算机，耗时长到不切实际；而这种分解的难度恰是互联网数据加密的基石。但是，一台足够强大的量子计算机运行肖尔算法后，一旦给出那两个质数，经典计算机只需将它们相乘，即可核对是否等于原数。

“量子回波”的机制则较为复杂。其学名为“反时序关联函数”，是系统进入混沌状态的一种特征。哈罗形容它“有点像‘蝴蝶效应’：你在某处轻轻一推，随后在晚些时候，系统的另一端会出现扰动。

计算“量子回波”需对计算机的量子比特施加一系列随机操作，然后将这些操作逆向执行，相当于将时间“倒回”起点。这正是研究人员能够从原本会淹没信息的混沌系统里，提取可验证信号的关键。

研究团队这次使用了Willow芯片上的65个量子比特，将正向与反向操作各执行两次；每次“时间反转”之前，都会对少量量子比特进行微调。该技术会产生复杂的量子干涉效应，而在经典计算框架下，这种效应难以被精确计算。

研究人员认为，他们的算法标志着量子计算机向实用化迈出的重要一步。在一篇尚未经过同行评审的论文中（该论文计划于10月22日发布在arXiv.org上），谷歌研究人员及其合作者利用该技术计算了两种分子在三维空间中的相对排布。演示结果与实验室常用技术——核磁共振波谱测量结果一致。不过，目前该计算的表现尚未全面超越经典计算。

尽管如此，哈罗仍表示：“能把他们的量子计算机和真实实验连接起来，这一点本身就非常难得。”

（本文由AI翻译，网易编辑负责校对）