谷歌近日在量子计算领域取得重大突破，其研发的量子回声算法在Willow芯片上成功运行，实现了对原子相互作用问题的超高速求解。该算法在数小时内完成的计算量，传统超级计算机Frontier需耗时约3.2年才能完成，速度优势达到13000倍。这一成果不仅刷新了量子计算的性能纪录，更首次在真实硬件上实现了可验证的量子优势，相关研究已登上《自然》杂志封面。
量子回声算法的核心在于测量一种名为OTOC（out-of-time-order correlator）的量子可观测量。这种新型指标能够描述量子系统如何从有序走向混沌，其测量结果（如电流、磁化强度等）具有可重复性，即使在不同量子计算机上运行也能保持一致。与经典比特串不同，量子期望值的稳定性为算法验证提供了科学基础，使得量子计算首次具备实用化验证条件。
此次突破建立在谷歌长达六年的技术积累之上。2019年，该公司曾演示量子计算机解决经典超级计算机需数千年完成的问题；2024年底推出的Willow芯片更通过误差抑制技术，解决了困扰科学界近30年的核心难题。新算法结合了硬件层面的精度提升与算法层面的创新设计，通过模拟核磁共振过程，实现了对分子中原子相互作用的精确解析。
研究团队采用了一种类似"精密回声实验"的操作模式：首先向Willow芯片的量子比特阵列发送特定信号，随后对单个量子比特施加微小扰动，再通过反向操作"倾听"返回的量子信号。这种设计利用了量子波的相长干涉效应，使微弱信号被显著放大，从而能够以极高精度捕捉量子系统的动态变化。实验示意图显示，该过程包含正向运行、扰动施加、反向运行和结果测量四个关键步骤，信号重叠程度直接反映了扰动在量子系统中的扩散方式。
参与研究的机构包括谷歌量子AI团队、DeepMind以及加州大学伯克利分校、达特茅斯学院等。值得关注的是，新晋诺贝尔物理学奖得主、谷歌量子AI实验室硬件首席科学家Michel Devoret也参与了项目研发。团队通过与伯克利分校合作，在Willow芯片上模拟了包含15个原子和28个原子的两种分子结构，计算结果与传统核磁共振技术高度吻合，同时揭示了经典方法无法获取的额外信息，为算法有效性提供了关键验证。
谷歌CEO Sundar Pichai指出，Willow芯片首次实现了可验证的量子优势，其算法能够通过核磁共振原理解析分子结构，为药物研发和材料科学开辟了新路径。与传统计算不同，量子计算结果可在其他同等水平量子设备上重复验证，这种可扩展的验证能力标志着量子计算向实用化迈出关键一步。实验证明，该技术能够捕捉经典方法难以观测的分子动态，未来有望成为研究药物分子结合方式、新型材料结构的重要工具。
从硬件层面看，Willow芯片通过随机电路采样基准测试，证明了其处理复杂量子系统的能力。量子回声算法则代表了全新挑战——它需要同时满足高复杂度模拟和极高精度计算的要求。为实现这一目标，量子硬件必须具备极低误差率和高速运算能力，而Willow芯片的最新进展恰好满足了这些条件。研究团队比喻，这种技术就像制造了一台"量子显微镜"，能够观测到传统技术无法触及的自然现象。
