穀歌的“Quantum Echoes” 算法與 Willow 芯片

穀歌的“Quantum Echoes” 算法與 Willow 芯片

      從可驗證量子優勢到科研態度的理性回歸

摘要：本文對穀歌的量子AI研究團隊的最新進展作出簡單介紹。作者著重指出此次研究成果中有二個亮點：量子優勢的可驗證性和實事求是的科研態度。
 

一、研究背景
量子計算的“優勢”（quantum advantage）一直是量子研究的核心目標。過去的多次演示停留在隨機采樣層麵，缺乏可驗證性與現實意義。2025 年 10 月，Google Quantum AI 團隊在《Nature》發表論文，宣布在其 105 比特超導量子處理器 Willow 上實現了首個“可驗證的量子優勢”。這意味著量子計算正逐步從概念驗證走向可與現實物理問題對應的科學應用。
 

二、實驗係統：Willow 芯片
實驗采用 105 比特超導芯片，其中 103 個可用。單比特相幹時間 T? 約 106 微秒，雙比特門誤差 0.15%，隨機電路基準在 40 層循環時整體保真度約 0.001，性能較 Sycamore 時代提升約一數量級。團隊報告：在 Willow 上運行“Quantum Echoes”算法僅需 2.1 小時，而在世界最快超算 Frontier 上模擬相同電路需 3.2 年，量子速度優勢約 13000 倍。這一數字來自明確的計算模型與時間估算，而非誇張的理論推斷。

三、算法原理：Quantum Echoes 與 OTOC
“Quantum Echoes” 基於時間反轉回波原理，用於測量高階“時序無序關聯函數”（Out-of-Time-Order Correlator, OTOC），可定量描述量子係統中信息傳播與多體糾纏。
1. 基本過程：

• 準備量子態並在一組隨機門 U 下演化；
• 對特定比特施加局部擾動；
• 執行時間反轉 U†；
• 觀測目標比特的“回波”信號是否恢複。

   若擾動導致信息擴散，回波信號減弱，其強度正反映係統的量子混沌程度。
2. 算法創新：
   傳統 OTOC 通常測二階相關。Google 引入高階 OTOC(2) 與非對角 OTOC(4) 測量，使多體幹涉效應更顯著。此類幹涉在經典張量網絡或蒙特卡洛近似中極難重現。
3. “可驗證性”含義：
   OTOC 是低秩可觀測量，信噪比 SNR 可達 1–2 以上。其他量子設備或真實物理實驗（如NMR 核磁共振）可以重複該測量，從而實現“量子-量子”或“實驗-量子”層麵的結果比對。

四、應用與科學意義
論文進一步展示了 Hamiltonian learning （哈密頓量學習）實例：通過擬合 OTOC 數據反推原子-分子係統的相互作用參數。在補充材料中，團隊利用“多體自旋回波”推斷約 15–28 原子分子的幾何結構，證明該算法可用於分子結構解析、藥物設計和材料科學的早期建模。
 

五、與以往“量子優勢”比較
| 時間 | 團隊 / 平台 | 任務類型 | 可驗證性 | 實際意義 |
|------|--------------|-----------|-----------|-----------|
| 2019 | Google Sycamore | 隨機電路采樣 (RCS) | 僅統計驗證 | 基準測試 |
| 2020-2024 | 中國 USTC Jiuzhang 光量子 | Boson Sampling | 難以驗證 | 基準測試 |
| 2023 | IBM Eagle-127 | Ising 模型期望值 | 部分可複現 | 近似物理模型 |
| 2025 | Google Willow Quantum Echoes | OTOC 與 Hamiltonian learning | 可重複與實驗比對 | 與化學/材料相關 |
Google 此次工作相較以往有三點創新：
1. 從隨機采樣轉向物理可解釋量（OTOC）；
2. 建立量子計算與實驗觀測之間的直接驗證鏈路；
3. 明確給出經典超算 Frontier 的對比基準，避免誇大差距。

六、局限與前景
該實驗在未使用糾錯的條件下完成 65 比特 OTOC(2) 測量，已超出現有經典模擬能力。團隊估計，在 100 比特且門保真度進一步提升後，可進入化學精度（chemical accuracy）所需的複雜度區間。
但要實現真正“實用量子計算”，仍需跨越三道門檻：

• 誤差糾正集成：目前仍為噪聲中型量子（NISQ）水平；
• 算法通用化：OTOC 仍屬特定物理問題，尚非通用應用；
• 外部獨立驗證：其他平台尚未複現實驗。

七、可驗證性的真正內涵
Google 宣稱的“verifiable”更接近“可重複性”而非“可快速驗證性”。從嚴格算法意義看，強可驗證性（efficient verifiability）應滿足：計算結果能被經典算法在多項式時間內高效驗證。
例如 Shor 算法分解質因數後，隻需一次乘法即可驗證正確性。這類驗證複雜度遠低於量子計算本身。而 Quantum Echoes 一類采樣或模擬任務，其輸出是複雜概率分布或相關函數，驗證成本與計算成本幾乎相同，因此無法在經典計算框架中“快速驗證”。
現有量子可驗證計算研究（Verifiable Quantum Computation, VQC）正嚐試解決這一難題，包括 Mahadev protocol 等交互式證明體係，使經典驗證者以低複雜度確認量子結果。但這些方案仍主要停留在理論階段。
因此，Google 的“verifiable”目前應理解為物理層麵的可重複與可比對，而非算法意義上的可檢驗正確性。

直到目前為止，所有宣稱的量子優勢都無法實現驗證，這是量子優勢研究的一個死結。穀歌研究團隊能夠直麵驗證這個要害問題，不回避不繞圈子，這是一個進步值得肯定，雖然他們並沒有徹底解決這個問題。

八、科研傳播的理性態度
值得注意的是，Google 在本次宣布中展現出罕見的科學克製。他們明確比較對象、算法類型和計算基準，並未誇大結果。相較之下，部分光量子實驗常以“億億倍加速”作為宣傳亮點，但這往往基於無法實際完成的全窮舉對比，並未說明問題意義或驗證方法。
Google 的 13 000 倍雖然聽上去“不驚人”，卻來自實測數據與可追溯模型。這種透明與謹慎，正是科學研究應有的態度。他們既未宣稱“量子計算已實用化”，也未隱瞞係統誤差與局限，而是強調“結果可重複、可物理驗證”。在當下量子計算動輒宣傳“顛覆一切”的語境中，這種務實精神彌足珍貴。

九、結語
“Quantum Echoes” 實驗首次將“可驗證性”與“現實相關性”結合，實現了結果可重複、速度顯著超越經典、並與物理實驗直接對應的量子算法。雖然離真正的“強可驗證量子計算”仍有距離，但這一成果在科學方法論上更為踏實。它表明量子計算不再隻是“算得快”，更在於算得可信。
從這一點看，Google 團隊確實值得肯定——他們以理性的科研精神取代了浮誇的口號，讓“量子優勢”重新回到可檢驗、可討論的科學軌道。

徐令予  作於南加州 （2025年 10月24日）