Google於Wilow量子晶片以量子迴聲演算法實現可重複驗證且比經典運算超級電腦快1.3萬倍的性能 加速量子電腦邁入實用

2025.10.23 02:39PM

Google宣布量子運算新進展,於Wilow量子晶片結合稱為量子迴聲(Quantum Echo)的亂序時間相關器(OTOC)演算法,能夠穩定且可驗證的運算分子結構,甚至較當前最快的經典運算超級電腦快上13,000倍,可以使科學家於醫學及材料科學大幅推進。

▲量子迴聲演算法最大的突破是首次於量子電腦實現可重複驗證且迅速的運算

Google於「自然」(Nature)期刊所刊登的量子迴聲演算法,能夠協助學習自然界自分子、磁鐵至黑洞等各種結構,且證實相對現行最快的超級電腦快上萬倍的速度;同時Google亦在另一項透過多體核自旋迴聲進行分子幾何的量子計算的概念驗證實驗,展現「分子尺」的概念,分子尺能夠有效測量比現今方式更長的距離,並透過核磁共振數據獲取更多關於化學結構的資訊。

量子迴聲演算法最大的突破是奠定量子電腦有史以來首度成功執行可驗證、超越超級電腦的演算法;量子可驗證性(Quantum verifiability) 也意味著這項演算法不僅在Wilow量子晶片、亦可在其它同級超級電腦重複執行、並得到相同的答案,使得量子運算不僅超越經典運算,還可實現可規模化驗證,加速量子電腦更接近實際應用工具。

▲量子迴聲演算法如其名,透過向量子位元發送訊號並聆聽迴聲

量子迴聲演算法是透過向Wilow晶片的量子位元發送一個經過設計的訊號,並擾動其中一個量子位元,接著精確反轉訊號演進,並聆聽回傳的「迴聲」,也是該演算法稱為量子迴聲的原因;而這個量子迴聲的獨特之處是會被建設性干涉現象放大,透過此現象會將量子波疊加變成更強的現象,使測量更為靈敏。

得以實現量子迴聲演算法的關鍵建立在Wilow晶片的持續進展,Google於2024年透過隨機電路採樣(Random Circuit Sampling) 基準證實其能力,於測量最大量子態複雜度呈現出色結果。量子迴聲則是對新型態進行挑戰,以模擬一個物理實驗同時測試複雜度及最終計算的精確度,並於品質相近的量子電腦交叉測試及驗證,在極低錯誤率與高速運算時現量子可驗證。

▲Wilow量子晶片的持續演化為量子迴聲演算法奠定良好的基礎

量子電腦相較經典超級電腦最大的優勢是於模擬量子力學現象、如原子與粒子的交互作用、分子結構或形狀具有關鍵作用;科學家用於理解化學結構的工具之一是核磁共振(NMR),與醫院的核磁共振顯影(MRI)科學原理相同,NMR如同分子顯微鏡一般,可讓科學家看到原子相對位置,進而理解分子結構。

Google團隊與加州大學柏克萊分校共同合作進行概念驗證實驗,透過在Wilow晶片執行量子迴聲演算法分別研究一個15個原子與一個28個原子的分子,除了驗證在量子電腦的結果與傳統NMR相符,還探索NMR難以獲得的資訊。

該實驗進展也開闢「量子顯微鏡」的可能性,利用量子運算增強的NMR能夠探索過去無法觀測的自然現象,可望成為藥物開發的強大工具,幫助確定潛在藥物如何與標靶結合,或於材料科學用於鑑定如聚合物、電池等新材料,甚至構成量子位元的分子結構。

在量子迴聲演算法實現可重複驗證的量子優勢後,Google團隊將朝全尺寸、巨容錯能力的量子電腦擴展,當前正專注於Google勾勒的量子硬體發展藍圖的第三個里程碑前進、亦即一個長壽命的邏輯量子位元(logical qubit)。

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