谷歌量子团队Nature封面论文：量子回声算法实现可验证量子优势

谷歌量子团队在荣获诺贝尔物理奖后，再次登上Nature杂志封面，展示其突破性研究成果。

团队提出了名为“Quantum Echoes”（量子回声）的创新算法，该算法能够对量子计算结果进行重复验证，有效解决了以往量子计算中结果难以确认的挑战。

经典超级计算机Frontier需要耗费3.2年才能完成的计算任务，量子计算机仅用2.1小时即告完成，运算速度提升了惊人的13000倍。

这篇论文最新发表于Nature，由新晋诺奖得主、谷歌量子AI实验室硬件首席科学家Michel Devoret主导，汇集了来自普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、MIT等顶尖学府的研究人员，总计超过200位作者共同参与了这项研究。

在另一项独立研究中（论文即将上传至arXiv），新算法在探测原子与粒子相互作用以及分子结构方面得到了验证。

量子计算机得出的数据与传统核磁共振（NMR）结果高度一致，并进一步揭示了通常无法通过核磁共振技术获取的微观信息。

正如望远镜和显微镜曾经开启新视野一样，这项实验标志着向“量子镜”迈出了关键一步，使其能够观测以往难以捕捉的自然现象。

量子计算增强的核磁共振技术有望成为药物研发领域的强大工具，帮助精确分析潜在药物与靶点的结合机制；在材料科学中，它也可用于表征聚合物、电池组件乃至构成量子比特的材料等新型材料的分子结构。

量子回声算法：一种可验证的量子优势

量子计算机的核心可视为一个“量子多体系统”（例如一系列纠缠的量子比特），但研究此类系统面临一个重大难题：

随着时间演化，量子信息会迅速扩散到整个系统中，这种现象被称为“信息加扰”（scrambling）。

此时若采用常规方法，如“时序关联函数”（TOC）来观测细节，信号会呈指数级衰减，极大限制了人们对量子信息的探测能力。

为解决此问题，谷歌团队提出了“量子回声”算法：

先让系统正向演化，随后施加特定操作，再进行反向演化，如此循环往复。该过程模拟了时间倒流，将已扩散的量子信息重新汇聚。

本研究的关键“非时序关联函数”（OTOC）是该思路的进阶，它能将量子系统中不同“演化路径”的信号叠加，从而放大有用信息并抑制噪声。

研究团队利用超导量子处理器（最多使用65个量子比特）进行了两类关键实验，并得出两个核心结论：

第一，OTOC能够长时间观测量子系统的细微特征，性能远超传统方法。

传统的TOC信号在演化9个周期后便微弱至几乎无法检测（标准差＜0.01）；而OTOC（特别是二阶OTOC，记为OTOC⁽²⁾）即使演化20个周期，信号仍保持清晰（标准差＞0.01）。

第二，二阶OTOC中蕴含了“大循环干涉”（large-loop interference）现象，这是经典计算机无法模拟的。

量子系统演化时，会产生大量“泡利字符串”（可理解为量子状态的基本单元），这些字符串会形成“大循环”，并且其信号会相互增强，出现“相长干涉”。

这种“大循环干涉”使得经典计算机模拟变得极为困难。团队使用顶级超级计算机Frontier尝试模拟65个量子比特的OTOC⁽²⁾信号，需时约3.2年；而量子处理器完成一次测量仅需2.1小时，速度差距达1.3万倍。

即使采用更快的经典模拟方法如蒙特卡洛，计算出的信号信噪比（1.1）也远低于量子实验的结果（3.9）。

证明“实用量子优势”的可能性

所谓“量子优越性”不仅要求量子计算机比经典计算机更快，还需具备实际应用价值。

此次团队还展示了OTOC⁽²⁾在解决实际问题中的应用——学习量子系统的哈密顿量（Hamiltonian learning）。

在许多物理系统中，确定哈密顿量的未知参数至关重要。传统方法常受限于量子态的快速退相干。而OTOC⁽²⁾因其信号衰减缓慢且对动力学细节高度敏感，成为理想的探测工具。

研究人员设计了一个单参数学习实验：先模拟一个“规则未知的量子系统”，再用OTOC⁽²⁾测量该系统信号，通过调整参数使量子模拟信号与实测信号匹配，最终精确确定了未知相位（误差极小）。

这表明OTOC⁽²⁾不仅能探测特殊现象，还能用于解决实际问题，例如分析真实量子材料（如固态核磁共振系统）并推断其内部相互作用规律。

此次突破也得益于Willow芯片的硬件优势：去年它已通过“随机电路采样”测试证明了处理复杂量子态的能力，如今能支持“量子回声”算法，关键在于其极低的错误率和高速运算能力，既满足了算法对计算复杂度的要求，也保证了结果精度。

经过持续改进，当前一代Willow芯片在规模化方面表现卓越。在整个105个量子比特阵列中，单量子比特门保真度高达99.97%，纠缠门保真度高达99.88%，读取保真度高达99.5%，所有操作均在数十至数百纳秒内完成。

关于未来规划，谷歌量子团队表示接下来将聚焦于研发“长寿命逻辑量子比特”，为构建更大规模、可纠错的实用量子计算机奠定基础。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6

参考链接：

[1]https://blog.google/technology/research/quantum-hardware-verifiable-advantage/