更關(guān)鍵的是，結(jié)果可在同等級(jí)量子硬件上重復(fù)驗(yàn)證，被谷歌稱(chēng)作“首個(gè)在硬件上實(shí)現(xiàn)、可驗(yàn)證的量子優(yōu)勢(shì)”。

總計(jì) 200 位作者參與了這次研究。其中包括新晉諾獎(jiǎng)得主、現(xiàn)任谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室硬件首席科學(xué)家 Michel Devoret，還有來(lái)自普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、MIT等頂尖院校的研究人員。

解決了什么難題？

研究量子多體系統(tǒng)時(shí)，信息會(huì)在快速糾纏產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)中被擾亂，導(dǎo)致測(cè)量對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)底層動(dòng)力學(xué)的細(xì)節(jié)不敏感。

谷歌的解決辦法，是在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)驗(yàn)測(cè)量了“二階非時(shí)間序相關(guān)器”（OTOC）。

該方案顯著改變了 OTOC 的測(cè)量值，觀測(cè)到的干涉機(jī)制也賦予 OTOC 較高的經(jīng)典模擬復(fù)雜度。

計(jì)算可觀測(cè)量可以表示為對(duì)不同軌跡的總和。在這個(gè)概念框架中，每次時(shí)間反轉(zhuǎn)都對(duì)應(yīng)于兩個(gè)干擾臂的增加以及其他有助于實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量的交叉項(xiàng)。

研究人員利用數(shù)字量子處理器獨(dú)特的可編程性來(lái)改變干涉臂的數(shù)量，并在每個(gè)臂中插入噪聲或相關(guān)移相器。

結(jié)果顯示，與沒(méi)有時(shí)間反轉(zhuǎn)的可觀測(cè)量相比，OTOC 對(duì)這些擾動(dòng)更敏感。而且這種敏感性會(huì)隨著干涉臂數(shù)量的增加而增強(qiáng)，這在低階可觀測(cè)量中是不可見(jiàn)的。

實(shí)用性更強(qiáng)

OTOC 可以在目前經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)難以解決的領(lǐng)域中得到精確求解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OTOC 項(xiàng)目每個(gè)電路的數(shù)據(jù)收集時(shí)間長(zhǎng)為 2.1 小時(shí)，而超級(jí)計(jì)算機(jī) Frontier 的市場(chǎng)為 3.2 年，足足長(zhǎng)了 13000 倍！

為了證實(shí) OTOC 的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了“哈密頓學(xué)習(xí)”的測(cè)試。哈密頓系統(tǒng)帶有一組未知參數(shù)的哈密頓量，將一組 OTOC 數(shù)據(jù)其與相同哈密頓量的量子模擬進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，OTOC 的信號(hào)大小和靈敏度緩慢衰減，使其成為完成這項(xiàng)任務(wù)的特別合適的候選者。

結(jié)論

在論文中，Google 量子團(tuán)隊(duì)證明了 OTOC 具有量子干涉效應(yīng)，這使其對(duì)量子動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)具有高度的敏感性。

OTOC 是實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子優(yōu)勢(shì)的可行候選者，而實(shí)用量子優(yōu)勢(shì)是當(dāng)前物理界所共同追求的目標(biāo)。

量子優(yōu)勢(shì)需要滿(mǎn)足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條件：

1. 可觀測(cè)量屬于有界誤差量子多項(xiàng)式時(shí)間 (BQP) 類(lèi)別

2. 可觀測(cè)量超出了精確的經(jīng)典模擬和啟發(fā)式方法的范圍

3. 可觀測(cè)量應(yīng)該產(chǎn)生與量子系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)際信息

研究人員表示，團(tuán)隊(duì)已在滿(mǎn)足條件 (1) 和 (2) 方面取得了進(jìn)展。動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)問(wèn)題也證明了 (3) 的原理。雖然動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)演示中使用的隨機(jī)電路仍然是漢密爾頓量的玩具模型，但該方案很容易應(yīng)用于真實(shí)的物理系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)表示，如果能將此類(lèi)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與量子模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可以更準(zhǔn)確地估計(jì)這些耦合。這些研究將會(huì)在今后更多實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6?utm_source=chatgpt.com