電子發(fā)燒友綜合報(bào)道 日前，谷歌宣布其量子計(jì)算機(jī)取得突破性進(jìn)展，使用一種名為“量子回聲（Quantum Echoes）”的算法，在量子芯片Willow上完成了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任的任務(wù)，使量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)快13000倍，并且這種算法可以在類似平臺(tái)上得到重現(xiàn)。

量子比特極易受到環(huán)境干擾，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，這成為量子計(jì)算走向?qū)嵱玫囊淮笞璧K。而谷歌的Willow芯片成功實(shí)現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)，解決了困擾科學(xué)家近30年的重大難題。

表面碼是一種常用的量子糾錯(cuò)方法，通過將多個(gè)物理量子比特編碼成一個(gè)邏輯量子比特來降低出錯(cuò)率。谷歌的Willow芯片中，邏輯量子比特的數(shù)量每增加一次，錯(cuò)誤率就會(huì)降低一半。例如，碼距為7的錯(cuò)誤率是碼距為5的一半，碼距為5的錯(cuò)誤率又是碼距為3的一半。這種指數(shù)級(jí)降低錯(cuò)誤率的能力，使得在增加量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)，系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行，為構(gòu)建足夠精確且實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

谷歌借助Willow芯片，首次成功運(yùn)行了“量子回聲”（Quantum Echoes）算法，實(shí)現(xiàn)了可驗(yàn)證的量子優(yōu)勢(shì)。該算法的核心是測(cè)量一種被稱為OTOC（out-of-time-order correlator，時(shí)序無序關(guān)聯(lián)函數(shù)）的量子可觀測(cè)量。這是一種用于研究量子系統(tǒng)中信息如何傳播和混合的新指標(biāo)。

“量子回聲”算法的運(yùn)作方式類似一個(gè)高度先進(jìn)的回聲定位系統(tǒng)。研究人員向Willow芯片上的量子比特發(fā)送精心設(shè)計(jì)的信號(hào)，擾動(dòng)其中一個(gè)量子比特，然后精確地逆轉(zhuǎn)信號(hào)的演化過程，并“聆聽”返回的“回聲”。這種量子“回聲”會(huì)通過相長干涉現(xiàn)象得到放大，使得測(cè)量過程具備極高的靈敏度。通過這種方式，谷歌團(tuán)隊(duì)展示了首個(gè)可在硬件上運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)可驗(yàn)證量子優(yōu)勢(shì)的算法，其計(jì)算結(jié)果可以在谷歌的量子計(jì)算機(jī)或其他同等級(jí)別的量子計(jì)算機(jī)上重復(fù)運(yùn)行，并得到相同的答案，從而確認(rèn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

Willow芯片展現(xiàn)出了驚人的計(jì)算速度。在隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)測(cè)試中，它不到5分鐘就完成了一項(xiàng)計(jì)算，而當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要“10的25次方”年才能完成。這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡，證實(shí)了量子計(jì)算發(fā)生在許多平行宇宙中的觀點(diǎn)，與多元宇宙理論相吻合。此外，運(yùn)行“量子回聲”算法時(shí)，Willow芯片的表現(xiàn)同樣驚艷，其速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快約13000倍。

Willow芯片在保證高速計(jì)算的同時(shí)，還具備高度的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。在其105個(gè)量子比特陣列中，單量子比特門的保真度達(dá)99.97%，糾纏門的保真度達(dá)99.88%，讀取保真度達(dá)99.5%，所有操作均以數(shù)十至數(shù)百納秒的突破性速度運(yùn)行。這些高精度量子門使得谷歌能夠執(zhí)行高度復(fù)雜的量子回聲算法，該算法涉及大規(guī)模量子干涉與糾纏，將研究成果推向了超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算力的水平。

谷歌量子芯片的突破為科學(xué)研究開辟了新的道路。在藥物研發(fā)領(lǐng)域，它能夠精確模擬分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化，幫助科學(xué)家更好地理解藥物與靶點(diǎn)的結(jié)合方式，加速新藥的研發(fā)進(jìn)程。在材料科學(xué)方面，可以用于表征新型材料的分子結(jié)構(gòu)，為先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)提供有力支持。