Google 發佈量子回聲算法，推動量子運算實際應用
- 創新科技
- 2025年10月27日
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Google 量子技術重大突破：量子回聲算法有望推動實際應用
**2025 年諾貝爾物理學獎**授予 John Clarke、Michelle Devoret 和 John Martinis 三位物理學者，以表彰他們「在電路中發現宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化」的貢獻。值得注意的是，其中兩位得主,John Clarke、Michelle Devoret 與 Google 有密切關係，而 Google 最新發佈的量子回聲算法，更為量子運算的實際應用帶來新希望。
受量子運算突破的消息刺激，Google 母公司 Alphabet 股價應聲上漲。
諾貝爾獎得主與 Google 量子技術突破
Michelle Devoret 現任 Google 首席量子科學家，而 John Martinis 則於 2014 年加入 Google，擔任量子硬體首席科學家，成立量子硬體團隊，負責領導量子電腦的硬體及晶片研究工作。在他的帶領下，團隊於 2019 年打造出擁有 53 個量子位元（Qubit）的 Sycamore 晶片，首次實現「量子霸權」（Quantum Supremacy），證明量子電腦能在特定任務上超越傳統超級電腦。
三位得主的研究工作為超導量子位元技術的量子電腦研發奠定了理論基礎。從 20 世紀 80 年代開始，他們通過搭建包含兩個超導體並用薄勢壘隔開的電路，成功控制並觀測到超導體中的帶電粒子協同運動，彷彿是一個「單粒子」，通過量子隧穿效應脫離零電壓態、產生電壓，展現出量子的特性。這項成果成為超導量子位元技術的基礎，最終催生了 Sycamore 和最新的 Willow 晶片。
Google 最新的 Willow 晶片採用超導量子位元技術，擁有 105 個量子位元，在量子糾錯和隨機電路採樣系統基準測試中均實現突破。Willow 的先進糾錯技術實現了「系統規模越大，錯誤率越低」，為構建高效的量子電腦鋪平道路。技術解決了長期以來困擾量子運算發展的關鍵難題——量子位元越多，錯誤率通常會累積增加，但 Willow 實現了相反的趨勢。
Willow 晶片可以提供準確的分子物理性質模擬，速度遠超傳統的超級電腦。Michelle Devoret 作為 Google 量子 AI 首席科學家，直接參與了 Willow 晶片研究。
Google Quantum AI 最新展示：量子晶片 Willow 執行『Quantum Echoes』演算法，在分子、磁鐵乃至黑洞的系統結構學習上，較世界最快經典超級電腦快了 13,000 倍，且可驗證結果。
量子回聲算法：解決通用性難題的關鍵突破
最近，Google 宣佈在 Willow 上運行的「量子回聲」（Quantum Echo）算法可適用於多個場景。目前幾乎所有量子運算都是針對特定問題設計，並非通用領域。量子電腦可能改善人類在能源、新材料發展、藥物發現等領域的能力，但要實現這些應用，必須先解決通用性問題。Google 的設計路線是所有研究機構中最有希望落實應用的，而量子回聲算法的通用性特性，解決了量子運算只能針對特定問題的痛點，大幅推動落地時的適用性。
量子回聲算法是一種新型量子計算算法，正式名稱為非時序關聯函數（Out-of-Time-Ordered Correlator, OTOC），工作原理有點像在回音室中正向和反向播放音樂片段來揭示隱藏諧波——通過在量子處理器內部巧妙逆轉分子量子運動，軟件識別出微妙量子效應。即使演化了 20 個週期，信號可依然清晰，比傳統方法更有效長時間觀測量子系統細節，突破了以往觀察量子的限制。
OTOC 算法的運行結果，還可通過其他同等級量子設備進行交叉驗證，為實用計算開闢了新路徑。更重要的是，這是第一次量子電腦的程式結果能夠重複——不管利用 Willow，還是其他同水平的量子電腦如核磁共振設備，都能算出一樣的結果。這首次落實了量子運算的可驗證性（Reproducibility），也是量子運算邁向實用化的里程碑。
在分子結構分析領域，研究團隊對分子進行的建模，結果竟與核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）數據完全吻合，更發現了傳統技術無法獲取的分子內部資訊。模擬精確觀測原子相對位置和動態變化，量度分子結構，甚至可量度更長距離的分子幾何學。計算同一任務時，探測「量子回聲」的速度超越經典超級電腦約 13,000 倍。
相關研究論文已發表在《自然》（Nature）期刊。Google 也在 arXiv 上發表論文，詳細說明如何將 OTOC 應用於核磁共振光譜學中的分子結構和性質測定，通過測量 OTOC 來增強分子動力學模型，並校正基礎力場中的已知近似值，利用低資源量子計算來解釋核磁系統多體回波的計算協議。
與中國「九章」系列的技術比較
相較之下，中國潘建偉團隊的「九章」系列光量子電腦在特定任務上表現出色。2023 年構建的「九章三號」是全球首個實現 255 光子操控的量子計算原型機，在求解高斯玻色取樣數學問題時，其計算速度比全球最快的超級電腦快一億億倍。
然而，「九章」系列主要針對特定任務，光子的操控和檢測難度較大，難以實現大規模的量子位元集成和量子糾錯。相比之下，Google 採用的超導量子計算技術在量子糾錯和通用性方面具有顯著優勢，這也是為什麼業界普遍認為超導路線，更有可能率先實現商業化應用。
應用前景：從理論到實際的關鍵一步
如果 Google 的 Willow 和量子回聲算法能在實際技術和應用中解決通用問題，實現模擬和量度分子結構等功能，將在**藥物研發、材料科學**、能源開發等領域具有廣闊的應用前景。
例如，在藥物研發領域，量子電腦可以精確模擬藥物分子與人體蛋白質的交互作用，大幅縮短新藥開發時間，降低研發成本。在材料科學領域，量子模擬可以幫助科學家設計出具有特定性質的新材料，如更高效的太陽能電池材料或更強韌的奈米材料。
雖然要實現真正的商業化應用，仍需克服技挑戰，但量子回聲算法的通用性突破和可驗證性實現，為量子運算的實用化邁出了關鍵且重要的一步。Alphabet 股價消息公佈後上漲——可見投資者也看到了量子計算從理論走向應用的曙光。
參考資料：
