这款名为"量子回波"的新型量子计算算法，是首款可以通过在另一台量子计算机上运行来进行独立验证的算法。

谷歌科学家创建了一种新算法，它能在量子处理器上以比世界最快超级计算机快13,000倍的速度解决问题。他们表示，这让我们朝着在药物发现、材料科学及许多其他科学应用中运用量子计算机的目标又迈进了一步。

研究人员表示，这款名为"量子回波"的新算法是一项突破，因为它不仅实现了量子优势，更是首款能够通过在另一台量子计算机上运行来进行独立验证的此类算法。

量子回波算法是在谷歌Willow量子处理单元上运行的基准测试实验中取得其超快结果的。研究人员在10月22日发表于《自然》杂志的一项新研究中概述了该算法的工作原理。

"量子算法告诉量子计算机如何以最有效的方式解决问题，类似于经典计算中的软件开发，"负责完成这项工作的谷歌量子AI研究科学家米晓通过电子邮件表示。"无论是经典计算还是量子计算，要想在未来帮助解决问题，软件和硬件元素都必须存在并协同工作。"

虽然科学家们在第一项研究中展示了新算法的量子优势，但他们还想证明它可以用来解决实际问题。在10月22日发表于arXiv预印本数据库的第二项研究中，同一团队设计了一个量子电路来模拟核磁共振光谱学实验室中分子的动力学。

在此过程中，他们发现了分别具有15个和28个原子的两种分子 —— [4-¹³C]-甲苯和[1-¹³C]-3',5'-二甲基联苯 —— 在原子间距和结构方面先前未知的细节。

该团队在研究报告中表示，本次实验中使用的系统规模较小（15个量子比特），但未来的工作将使研究人员能够模拟比现在大四倍的分子 —— 这个尺度是经典模拟无法企及的。

源自过去的回波

这项新研究建立在始于20世纪80年代、由加州大学物理学教授、谷歌量子AI量子硬件首席科学家米歇尔·德沃雷的研究工作基础之上，是数十年努力的成果。德沃雷因其工作成为2025年诺贝尔物理学奖的共同获奖者，并且是这项研究的合著者。

"今天，我们宣布这一突破性算法，它实际上标志着计算完成的又一个里程碑，其计算量是可验证的。因此，如果另一台量子计算机进行同样的计算，结果将是相同的。所以这标志着我们在迈向全面量子计算的道路上又踏出了新的一步，"德沃雷在一次新闻发布会上说。"这款量子回波算法不仅是可验证的——其结果可以被另一台类似的量子计算机获得 —— 而且它呈现出量子优势；它实现的计算所需时间将远超经典硬件。"

量子回波算法分几个阶段工作，相当于一种高度先进的"回波"：将信号发送到量子系统中，然后反转操作以"聆听"返回的"回波"，这一切都通过相长干涉（一种量子波叠加增强的现象）得到放大。

首先，科学家们在Willow QPU上的一个105量子比特纠缠阵列上运行一系列操作（即量子门）。接着，在反向运行完全相同的操作之前，对一个量子比特进行扰动或使其偏离。结果产生了一种奇特的"蝴蝶效应"，可用于揭示量子系统的信息。科学家随后使用该算法测量了两种分子中原子之间的距离。

为了确认该算法在Willow上与在经典超级计算机上的性能表现，科学家们进行了严格的"红队"测试，借鉴网络安全方法来验证结果的稳健性。这些测试相当于运行了10年之久。

"当然，这相当于向任何怀疑者发出了挑战，让他们尝试用经典方法重现其结果，"德克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学系主任斯科特·阿伦森表示。"与之前的量子霸权演示相比，这里最大的优势在于输出是一个单一的数字，而不是来自某个分布的样本，因此原则上是可以有效验证的 —— 即使不使用经典计算机，至少可以使用第二台量子计算机来验证。"

阿伦森补充说，可验证的量子霸权是该领域最大的挑战之一。他指出，谷歌在这两项新研究中的目标不是解决具有商业用途的问题，而是要获得相对于经典计算机的明确优势，并使另一台量子计算机能够独立验证答案。

谷歌于去年12月发布了Willow量子计算芯片。这款新处理器证明，随着量子比特数量的增加，发生的错误呈指数级减少，这标志着量子计算研究的一个关键里程碑。但是，仅靠硬件改进是不够的 —— 即使机器能够扩展到击败经典计算所需的数百万量子比特。正如米晓所指出的，这是因为软件和硬件组件需要协同工作，才能找到解决问题的最有效途径。

谷歌科学家声称，我们将在短短五年内开始看到只有量子计算机才能实现的实用应用。然而，我们仍然需要升级硬件，以便机器能够以数百万量子比特的规模运行 —— 这在今天是难以想象的，因为最强大的量子计算机也只有几百或几千个量子比特。

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