继去年12月谷歌最强量子计算芯片Willow正式发布之后，当地时间2025年10月22日，谷歌宣布，在其高性能量子芯片Willow的驱动下，首次实现了可验证的量子优势。这一里程碑是实现实用量子计算的关键一步，这一成就得益于谷歌量子硬件系统所设计的精度和速度。

同时，谷歌还在《自然》杂志上发表的论文展示了运行乱序时间相关器 (OTOC) 算法的首个可验证的量子优势，称之为“量子回声”。量子回声可用于了解自然界系统的结构，从分子到磁铁再到黑洞。

谷歌通过相关测试证明了“量子回声”算法在 Willow 上的运行速度比世界上最快的超级计算机之一上的最佳经典算法快 13,000 倍。

这一进展能够计算分子结构，为量子计算在医药、材料科学等领域的真实世界应用铺平了道路

Willow：工程领域一流的性能

谷歌最先进的量子芯片Willow由超导量子电路构成。这一研究领域始于1985年宏观量子效应的突破性发现，这一成就使约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯获得了2025年诺贝尔物理学奖。利用这些电路，超导量子比特可以充当宏观的“人造原子”。

在过去的40年里，在成熟的集成电路制造技术以及学术界和工业界积极研究的推动下，这些量子比特在性能和可扩展性之间展现出卓越的平衡。这使得它们成为构建容错量子计算机的领先平台。

2014年12月10日，谷歌通过官方博客宣布，其最新的量子计算芯片“Willow”得了两项重大成就：

1、Willow可以在使用更多量子比特（拥有105个物理量子比特）的情况下，成倍地减少错误，破解了近30年来一直在研究的量子纠错挑战。

2、Willow可以在不到5分钟内完成一项标准基准计算，而当今最快的超级计算机要完成这一计算需要10^25（10000000000000000000000000）年的时间，这一时间比宇宙的年龄还长。

得益于Willow发布后的持续改进，当前一代 Willow 芯片在规模化方面实现了一流的性能。在其整个 105 个量子比特阵列中，单量子比特门的保真度高达 99.97%，纠缠门的保真度高达 99.88%，读出的保真度高达 99.5%，所有操作均以数十至数百纳秒的无与伦比的速度运行。

量子回声算法，可验证的量子优势

基于领先的Willow量子计算平台，谷歌着手在复杂的实际应用中展示其强大功能，使量子计算更接近于为人类带来实际效益。为了揭示量子系统（例如分子）内部动力学的隐藏信息，谷歌成功运行了“量子回声”算法。

该算法依赖于量子计算机中量子数据流的逆向流动，这反过来对 Willow 的系统级性能提出了极高的要求。它要求 Willow 芯片运行大量量子门和进行大量量子测量——这两项是从背景噪声中提取有用信号的关键要素。

谷歌此次是历史上量子计算机首次成功运行超越超级计算机能力的可验证算法。量子可验证性意味着结果可以在谷歌的量子计算机（或任何其他同等口径的量子计算机）上重复，并得到相同的答案，从而确认结果。这种可重复的、超越经典的计算是可扩展验证的基础，使量子计算机更接近成为实际应用的工具。

谷歌的新技术就像一种高度先进的回声，即将一个精心设计的信号发送到谷歌的量子系统（Willow 芯片上的量子比特），扰动一个量子比特，然后精确地逆转信号的演化，以监听返回的“回声”。这种量子回声之所以特殊，是因为它会被相长干涉（一种量子波叠加增强的现象）放大。这使得谷歌的测量极其灵敏。

这些高精度量子门使得研究人员能够执行高度复杂的量子回声算法，该算法涉及大规模量子干涉和纠缠。它使谷歌的成果达到了超越传统计算机能力的水平。

此外，除了如此高的精度，谷歌的量子系统还能在短短数十秒内完成数百万次量子回声测量。如此高的速度使得该项目的测量次数达到了惊人的一万亿次——这相当于所有量子计算机测量次数总和的很大一部分。这进一步巩固了谷歌的工作是量子计算史上最复杂的实验之一的地位。

△在Willow 芯片上创建量子回声的四步过程

“量子回声”算法在探索自然界系统结构方面极具潜力，从分子、磁体到黑洞的研究都能受益。实验证明，在Willow芯片上运行该算法，比在世界最快的超级计算机之一上运行经典算法要快13000倍。

在另一项原理验证实验“通过多体核自旋回波进行分子几何的量子计算”（将于晚些时候发布在 arXiv 上）中，谷歌展示了一项新技术——“分子尺”——如何能够测量比当今方法更长的距离，并使用核磁共振 (NMR) 数据获取有关化学结构的更多信息。

通往容错之路：谷歌的战略路线图

自 Google Quantum AI 路线图成立以来，谷歌始终致力于构建容错量子计算机。目前谷歌已取得进展，完成了前两个里程碑：2019 年实现超经典量子计算，2023 年实现量子纠错原型。随着 2024 年 Willow 的发布，谷歌进一步推进了路线图，展示了低于阈值的量子纠错能力，并朝着第三个里程碑迈进。

今天可验证的量子优势的展示，标志着谷歌又迈出了关键的一步。它不仅彰显了谷歌在探索量子实用应用方面的不懈努力，也增强了谷歌利用超导量子比特进行大规模复杂量子计算的信心。

谷歌在新闻稿中指出：“在我们迈向下一个里程碑——长寿命逻辑量子比特——之际，我们深知前方将面临重重挑战。要实现最终目标，系统性能和规模将实现数量级的提升，数百万个组件亟待开发和完善。尽管面临重重障碍，我们仍将坚定不移地沿着这条道路前行。”

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编辑：芯智讯-林子