Google今（23）日發表一項重大研究，歷史上首次展示了量子電腦能在硬體上成功運行可驗證的演算法，速度甚至超越了最快的傳統超級電腦達到13,000倍。此基於數十年的努力和6年的重大突破之上，既能計算分子結構，並為量子運算的實際應用奠定穩健的基礎。

圖一 : Google 推出「量子迴聲」演算法：邁向量子運算實際應用的重要里程碑

回顧2019年，Google率先分享了透過量子電腦，就能解決一個超級電腦最快需要數千年才能解決的問題。例如在2024年底推出的新款Willow量子晶片，便展示了如何大幅抑制錯誤，解決了近30年來困擾科學家的一個主要問題，得以更接近能推動醫藥和材料科學等領域重大發現的量子電腦。

正如剛發表於《自然》（Nature）期刊的內容，Google也展現了史上首次可驗證的量子優勢，運行了被稱之為「量子迴聲」（Quantum Echoes）的「亂序時間相關器」（OTOC）演算法，將有助於學習自然界從分子、磁鐵到黑洞等各種系統的結構；且在Willow晶片上的運行速度，也比起現今全球最快超級電腦的最佳經典演算法快上13,000倍。

依Google形容該技術，就如同一種高度先進的「迴聲」原理，先向Willow 晶片上的量子位元發送一個精心設計的訊號，並擾動其中一個量子位元後。接著精確反轉訊號的演進，聆聽傳回的「迴聲」，將會被「建設性干涉」（constructive interference）放大，而成為量子波疊加後變得更強的現象，使之測量極其靈敏。

此「量子迴聲」演算法的實現，得益於Willow晶片在量子硬體上的進步，繼2024年透過「隨機電路採樣」（Random Circuit Sampling）基準測試，證明了其能測量最大的量子態複雜度；同時代表了一種新型態的挑戰，可用來測試最終計算的精確度。

這也是歷史上首次有量子電腦成功運行一個可驗證的、超越超級電腦能力的演算法。「量子可驗證性」（Quantum verifiability）意味此結果可以在量子電腦，或任何其他同等級的電腦上被重複執行，進行交叉基準測試和驗證，並得到相同的答案，成為實現可規模化驗證的基礎，使量子電腦更接近實際應用的工具。為了同時提供精確度和複雜度，硬體必須具備兩個關鍵特性：極低錯誤率和高速運算。

在另一項獨立的概念驗證實驗，Google也透過多體核自旋迴聲進行分子幾何的量子計算，展示了關於「分子尺」這項新技術，如何能測量比現今方法更長的距離；並利用核磁共振（NMR）的數據，來獲取更多關於化學結構的資訊。

由於量子電腦將在模擬量子力學現象方面發揮關鍵作用，科學家們用來理解化學結構的工具之一是核磁共振（NMR），與醫院的核磁共振造影（MRI）技術背後的科學相同。NMR 就像一個分子顯微鏡，強大到足以發現原子的相對位置，理解分子的結構，將支持著從生物技術到太陽能、乃至核融合等領域的發展。

正如望遠鏡和顯微鏡開闢了全新、未見的世界，這項實驗是邁向「量子顯微鏡」（quantum-scope）的重要一步，未來其將有能力測量以前無法觀測到的自然現象。由量子運算增強的 NMR可望成為藥物開發的強大工具，幫助確定潛在藥物如何與其標靶結合；或在材料科學中，用於鑑定新材料，如聚合物、電池組件，甚至構成量子位元（qubit）材料的分子結構。進而用來發展出量子硬體發展藍圖中的第三個里程碑，一個長壽的邏輯量子位元（logical qubit）。