量子計(jì)算離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用更近一步。比經(jīng)倍量

當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月22日，典超谷歌在《自然》雜志披露與Willow芯片相關(guān)的算快量子計(jì)算突破性研究成果。本月早些時(shí)候剛獲得2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的計(jì)算法國(guó)量子科學(xué)家米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）領(lǐng)導(dǎo)的谷歌量子團(tuán)隊(duì)又登上了雜志封面。谷歌團(tuán)隊(duì)表示，領(lǐng)域谷歌量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行算法的現(xiàn)新速度達(dá)到了頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)在經(jīng)典物理領(lǐng)域執(zhí)行類似代碼的13000倍。

這是突破歷史上首次證明量子計(jì)算機(jī)可在硬件上成功運(yùn)行一項(xiàng)可驗(yàn)證算法，這一研究成果被視為推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)走向應(yīng)用的比經(jīng)倍量又一個(gè)里程碑。

這一消息引發(fā)美國(guó)頭部量子計(jì)算公司D-Wave和Rigetti Computing股價(jià)大幅波動(dòng)。典超兩家公司在經(jīng)歷了10月22日收盤的算快暴跌后，10月23日美股盤前股價(jià)漲幅均超過(guò)10%。計(jì)算

“谷歌展現(xiàn)了一個(gè)兼具實(shí)用價(jià)值與高效，領(lǐng)域且可驗(yàn)證的現(xiàn)新新型量子優(yōu)越性方案?！眹?guó)盾量子上海公司總經(jīng)理王哲輝對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。突破他認(rèn)為，比經(jīng)倍量此前驗(yàn)證超導(dǎo)“量子優(yōu)越性”的是“隨機(jī)采樣”任務(wù)，是一個(gè)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，純粹為量子計(jì)算機(jī)量身打造的數(shù)學(xué)問(wèn)題。但這次，“量子回聲”算法展現(xiàn)出相對(duì)明確的應(yīng)用前景。谷歌也表示，將在后續(xù)發(fā)表相關(guān)論文，介紹該算法進(jìn)一步應(yīng)用于原子/粒子間相互作用探測(cè)與分子結(jié)構(gòu)解析等任務(wù)。

新晉諾獎(jiǎng)得主領(lǐng)銜帶來(lái)“量子回聲”

德沃雷特團(tuán)隊(duì)此次提出了最新的被稱為“量子回聲”（Quantum Echoes）的新算法，計(jì)算結(jié)果還能重復(fù)驗(yàn)證，解決了此前量子計(jì)算結(jié)果難確認(rèn)的問(wèn)題，意味著量子計(jì)算將有望用于實(shí)際應(yīng)用。

這種新算法的運(yùn)作方式類似一種高度先進(jìn)的回聲。通過(guò)向量子系統(tǒng)（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，隨后精確逆轉(zhuǎn)信號(hào)的演化過(guò)程，以“聆聽(tīng)”返回的“聲音”。這種量子“回聲”的特別之處在于，它會(huì)通過(guò)相長(zhǎng)干涉得到放大——這是一種量子波疊加后強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，這使得測(cè)量具備極高的靈敏度。

打個(gè)比方，如果人類正在嘗試尋找一艘沉入海底的失蹤船只。聲吶技術(shù)或許能為人類提供一個(gè)模糊的輪廓，并告知“海底有一艘沉船”。但谷歌借助Willow芯片實(shí)現(xiàn)的精度，不僅能找到這艘船，還能看清船身的銘牌。

該量子計(jì)算機(jī)的突破，未來(lái)有望在模擬量子力學(xué)現(xiàn)象方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。谷歌在博客中舉例，科學(xué)家用于研究化學(xué)結(jié)構(gòu)的工具之一是核磁共振（NMR），其原理與磁共振成像（MRI）技術(shù)相同。核磁共振就像一臺(tái)“分子顯微鏡”，能夠讓人們看到原子的相對(duì)位置，從而幫助理解分子結(jié)構(gòu)。模擬分子的形狀和動(dòng)態(tài)變化是化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展將為生物技術(shù)、太陽(yáng)能、核聚變等領(lǐng)域的發(fā)展提供支撐。

在與加州大學(xué)伯克利分校合作開(kāi)展的一項(xiàng)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，谷歌在Willow芯片上運(yùn)行“量子回聲”算法，對(duì)兩個(gè)分子（分別包含15個(gè)原子和28個(gè)原子）進(jìn)行了研究，以驗(yàn)證該方法的有效性。量子計(jì)算機(jī)得出的結(jié)果與傳統(tǒng)核磁共振技術(shù)的結(jié)果一致，且揭示了傳統(tǒng)核磁共振通常無(wú)法獲取的信息，這對(duì)該方法的有效性是至關(guān)重要的驗(yàn)證。

正如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡曾為人類打開(kāi)全新的未知世界，谷歌稱這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也邁向了一臺(tái)能夠測(cè)量此前無(wú)法觀測(cè)的自然現(xiàn)象的“量子觀測(cè)儀”。

去年年底，谷歌發(fā)布了量子芯片Willow，實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)關(guān)鍵突破：一是可以在使用更多量子比特（擁有105個(gè)物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯(cuò)誤，破解了近30年來(lái)一直在研究的量子糾錯(cuò)挑戰(zhàn)；二是通過(guò)使用量子芯片，在5分鐘內(nèi)完成了一項(xiàng)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要“10的25次方”年（可能比宇宙的歷史更長(zhǎng)）的時(shí)間才能完成的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算任務(wù)。

而此次谷歌披露量子可驗(yàn)證性意味著，該結(jié)果可在谷歌的量子計(jì)算機(jī)（或其他同等水平的量子計(jì)算機(jī)）上重復(fù)得出，從而確認(rèn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這種可重復(fù)、超越經(jīng)典計(jì)算的能力，是可擴(kuò)展驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

巨頭布局，大量資金涌入

量子計(jì)算自上世紀(jì)80年代被提出以來(lái)，一直是科技圈關(guān)注的焦點(diǎn)，過(guò)去幾年來(lái)，包括谷歌、微軟、IBM等大廠都在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)。

今年至今，美股上市的頭部量子技術(shù)公司股價(jià)已經(jīng)出現(xiàn)飆升，其中，D-wave股價(jià)上漲近250%，Rigetti股價(jià)也上漲近140%?！霸?jīng)默默無(wú)聞的技術(shù)，正在走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。”一位國(guó)內(nèi)量子技術(shù)專家對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。

已經(jīng)有很多大型科技公司在量子技術(shù)上投入大量資源，這讓一些頭部企業(yè)能獲得更大的訂單。例如，Rigetti近期就宣布了總計(jì)近600萬(wàn)美元的量子計(jì)算系統(tǒng)采購(gòu)訂單。Rigetti透露，兩位買家分別是一家亞洲制造公司和一家美國(guó)人工智能初創(chuàng)公司。

在全球范圍內(nèi)，由資本驅(qū)動(dòng)的量子技術(shù)投資正在掀起新一輪浪潮。近日，減重藥司美格魯肽廠商丹麥制藥巨頭諾和諾德母公司投資設(shè)立了量子專項(xiàng)風(fēng)投基金55 North。該基金在首輪募資中獲得了約3億歐元資金。該基金也成為目前全球規(guī)模最大的量子專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)投資基金。目前該基金已參與了兩項(xiàng)投資，包括歐洲量子計(jì)算公司IQM最新一輪2.75億歐元的B輪融資，以及為量子計(jì)算機(jī)提供低溫冷卻系統(tǒng)的德國(guó)公司Kiutra最新一輪千萬(wàn)級(jí)歐元的融資。

今年早些時(shí)候，丹麥出口與投資基金（EIFO）已與諾和諾德基金會(huì)斥資8000萬(wàn)歐元，成立北歐量子合資企業(yè)QuNorth，用于采購(gòu)、建造并運(yùn)營(yíng)商用量子計(jì)算機(jī)Magne。Magne預(yù)計(jì)將在2027年初投入使用，有望成為全球最強(qiáng)大的商用量子計(jì)算機(jī)之一。

對(duì)于人工智能和量子技術(shù)未來(lái)的結(jié)合，量子模擬領(lǐng)域頂尖科學(xué)家、慕尼黑大學(xué)教授伊曼紐爾·布洛赫（Immanuel Bloch）近日對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，如今量子模擬雖尚未實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算，但已在特定問(wèn)題上成為連接理論與實(shí)驗(yàn)的重要橋梁。隨著全球多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在平臺(tái)構(gòu)建與控制技術(shù)上的不斷突破，量子模擬器正成為探索“量子宇宙”的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

中國(guó)作為量子技術(shù)的全球領(lǐng)先力量，也有望在這一輪量子技術(shù)變革中迎來(lái)機(jī)遇。有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)對(duì)量子技術(shù)的投資已經(jīng)達(dá)到百億美元規(guī)模量級(jí)。在資金投入方面，今年5月，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了《第二代量子體系的構(gòu)筑和操控重大研究計(jì)劃2025年度項(xiàng)目指南》，最高資助經(jīng)費(fèi)達(dá)到每項(xiàng)700萬(wàn)元，旨在開(kāi)展量子信息科學(xué)方面的前瞻性和基礎(chǔ)性研究，推動(dòng)數(shù)理、信息、工程與材料、化學(xué)等多學(xué)科交叉研究，為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)等量子技術(shù)奠定物理基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉此前在《自然》“世界觀點(diǎn)（World View）”專欄發(fā)表文章稱：“盡管量子信息科學(xué)具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前大部分第二次量子革命技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，要實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用還需要長(zhǎng)時(shí)間的努力?！彼嵝褬I(yè)界應(yīng)警惕和防止泡沫的產(chǎn)生。

王哲輝認(rèn)為，盡管量子回聲算法展現(xiàn)出明確的應(yīng)用前景，但現(xiàn)有研究?jī)H在高度簡(jiǎn)化的模型體系中完成了原理性驗(yàn)證，未來(lái)能否真正應(yīng)用于更復(fù)雜、更有實(shí)用價(jià)值的場(chǎng)景（如研究蛋白質(zhì)）仍未可知。

“作為行業(yè)參與者，我們認(rèn)為此次谷歌取得的重大突破也說(shuō)明超導(dǎo)量子計(jì)算走向通用的道路更加清晰，要繼續(xù)沿著這條難而正確的路去探索，持續(xù)攻堅(jiān)高水平的核心硬件，同時(shí)大力投入于能解決實(shí)際問(wèn)題的量子算法與軟件生態(tài)的建設(shè)?！彼硎尽?

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