10月23日消息，要让量子计算机真正改变计算领域的格局，科学家们必须解决一个关键问题：如何证明量子计算机给出的答案是正确的。如今，这一难题迎来了突破性的进展。
谷歌研究团队宣布，其Willow量子芯片成功实现了“可验证的量子优势”（verifiable quantum advantage）。这意味着，Willow能够完成一项传统经典计算机难以胜任、但结果又能被确认正确的量子计算任务。相关研究成果已于10月22日发表在《自然》（Nature）期刊上。理论上，这一结果可以通过另一台量子计算机进行验证，但目前这一步骤尚未完成。
验证是量子计算机从实验室走向实际应用的关键环节。谷歌量子AI位于加州圣塔芭芭拉的物理学家汤姆·奥布赖恩（Tom O’Brien）在10月17日的新闻发布会上强调：“如果我无法向你证明数据是正确的，那又如何利用它来做任何事情呢？”
此次验证的计算任务测量了一种被称为“量子回声”（quantum echoes）的现象。Willow运行该计算的速度，比全球最强大的超级计算机之一Frontier快1.3万倍。整套计算在Frontier上大约需要150年的计算时间，因此使用经典计算来完成这一任务是不可行的；而在Willow上，这一计算仅耗费了数天时间。
未参与该研究的麻省理工学院（MIT）量子物理学家阿拉姆·哈罗（Aram Harrow）表示：“一个有力的观点是，要想用经典计算机来模拟这一过程，你需要巨大的算力投入，外加人们尚未提出的算法改进；不过，设想人们能提出这样的算法，也并非完全不可能。”过去，许多“量子优势”的宣称，常常被后续改进的经典算法所超越。
同样未参与该研究的德州大学奥斯汀分校计算机科学家斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）指出，以往一些声称实现量子优势的工作虽然有一定的验证方法，但其验证效率并不高——例如，随着计算规模的增大，验证时间呈指数级增长。相比之下，谷歌这次的新计算如果能有一台能力相近的量子计算机来验证，效率将会很高。
阿伦森说，高效可验证的量子优势一直是近年来该领域面临的最大挑战之一。“这次的研究是一个不错的候选者。”
哈罗补充说，更理想的情况是能被经典计算机验证的量子算法。例如，最著名的量子算法之一“肖尔算法（Shor’s algorithm）”，它能够将一个极大的整数分解成两个素数因子。对于足够大的数，这项任务在经典计算机上会耗时长到不切实际；而这种分解的困难度正是互联网数据加密的基础。然而，一台足够强大的量子计算机运行肖尔算法后，一旦给出那两个素数，经典计算机只需将它们相乘，便可核对是否等于原数。
“量子回声”的计算过程则更为复杂。其学名是“反时间序关联函数（out-of-time-order correlators）”，是系统进入混沌状态的一种特征。哈罗解释说，它“有点像‘蝴蝶效应’：你在某处轻轻一推，随后在晚些时候，远处会出现扰动”。
计算“量子回声”需要对计算机的量子比特（qubit）施加一系列随机操作，然后将这些操作逆向执行，相当于把时间“倒回”起点。这正是研究人员得以从原本会淹没信息的混沌系统里提取一个可验证信号的原因。
研究团队此次使用了Willow的65个量子比特，将正向与反向操作各执行了两次；每次“时间反转”之前，都会对少数量子比特做些微调。该技术会产生复杂的量子干涉效应，而这在经典计算框架下是难以计算的。
研究人员认为，他们的算法是迈向量子计算机实际用途的重要一步。在一篇尚未经过同行评审的论文中（该论文计划于10月22日发布在arXiv.org上），谷歌研究人员及其合作者利用该技术计算了两种分子中某些部分在三维空间里的相对排布。演示结果与实验室的常用技术——核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）——相一致。不过，目前尚未超过经典计算的表现。
尽管如此，哈罗表示：“能把他们的量子计算机同真实实验连接起来，这一点非常难得。”（易句）
（本文由AI翻译，网易编辑负责校对）
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