谷歌量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)近日在《自然》雜志發(fā)表突破性研究，宣布其65量子比特超導(dǎo)處理器在特定物理模擬任務(wù)中實(shí)現(xiàn)超越全球最快超算13,000倍的運(yùn)算速度。這項(xiàng)被命名為"量子回聲"（Quantum Echoes）的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量二階無(wú)序時(shí)序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC(2)）的量子干涉效應(yīng)，首次在真實(shí)硬件上驗(yàn)證了量子計(jì)算機(jī)處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的能力。

實(shí)驗(yàn)核心在于追蹤量子系統(tǒng)中的"信息擾亂"現(xiàn)象——當(dāng)量子比特高度糾纏時(shí)，物理量的測(cè)量結(jié)果對(duì)微觀細(xì)節(jié)極度敏感。研究團(tuán)隊(duì)采用"回聲協(xié)議"技術(shù)，通過(guò)時(shí)間反演操作捕捉傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)法追蹤的量子軌跡。具體流程包含四個(gè)階段：系統(tǒng)正向演化、施加微小擾動(dòng)、系統(tǒng)反向演化，最終通過(guò)量子干涉效應(yīng)檢測(cè)擾動(dòng)傳播形成的"量子蝴蝶效應(yīng)"。這種效應(yīng)在65量子比特系統(tǒng)中產(chǎn)生的相長(zhǎng)干涉圖樣，僅當(dāng)量子軌跡以特定方式重組時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，在擁有9,000余塊GPU的Frontier超算上完成相同計(jì)算需3.2年，而谷歌量子處理器僅耗時(shí)2.1小時(shí)（含校準(zhǔn)時(shí)間）。這種性能差距源于量子算法對(duì)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)參數(shù)的高效處理能力——經(jīng)典模擬方法隨量子比特?cái)?shù)增加，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)上升，而量子處理器可并行處理量子態(tài)演化。

研究團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)應(yīng)用于哈密頓量學(xué)習(xí)任務(wù)，通過(guò)調(diào)整模型系統(tǒng)中的相位參數(shù)，證明OTOC(2)數(shù)據(jù)可精確定位未知參數(shù)值。這種原理驗(yàn)證展示了量子處理器作為物理系統(tǒng)診斷工具的潛力，特別是在磁性材料和分子結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的OTOC(2)信號(hào)具有高靈敏度和緩慢衰減特性，使其成為解析復(fù)雜相互作用的有效工具。

在應(yīng)用層面，該技術(shù)有望擴(kuò)展核磁共振（NMR）光譜學(xué)的測(cè)量范圍。傳統(tǒng)NMR通過(guò)檢測(cè)原子核間磁相互作用推斷分子結(jié)構(gòu)，但信號(hào)靈敏度隨距離增加急劇下降。谷歌團(tuán)隊(duì)證明，量子處理器可模擬微弱信號(hào)在分子中的傳播過(guò)程，相當(dāng)于創(chuàng)造了更長(zhǎng)的有效分子尺度。這種能力對(duì)藥物設(shè)計(jì)和凝聚態(tài)物理研究具有重要價(jià)值，因?yàn)閺?fù)雜分子的幾何結(jié)構(gòu)直接決定其物理化學(xué)性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)使用的Willow芯片具備65個(gè)超導(dǎo)量子比特，中位雙量子比特門錯(cuò)誤率為0.15%。在40個(gè)電路周期運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總保真度達(dá)0.001。雖然這一指標(biāo)已屬行業(yè)領(lǐng)先，但仍未達(dá)到容錯(cuò)計(jì)算所需的錯(cuò)誤率閾值。研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，當(dāng)前成果主要適用于特定干涉可觀測(cè)量，且高度依賴優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤緩解技術(shù)。

學(xué)術(shù)界對(duì)這項(xiàng)突破保持審慎態(tài)度。紐約大學(xué)量子物理學(xué)家Dries Sels指出，現(xiàn)有成果尚不足以支撐"量子霸權(quán)"的重大聲明。達(dá)特茅斯學(xué)院James Whitfield教授認(rèn)為，雖然技術(shù)進(jìn)步顯著，但距離解決具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的實(shí)際問(wèn)題仍有距離。不過(guò)多數(shù)專家承認(rèn)，該實(shí)驗(yàn)在65量子比特規(guī)模上實(shí)現(xiàn)可靠的時(shí)間反演操作，標(biāo)志著量子計(jì)算向高保真度實(shí)用化邁出關(guān)鍵一步。