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2024年10月9日，谷歌在最新发表的《Nature》论文中，展示了量子计算领域的重要突破——研究人员发现，量子计算机在特定条件下能够超越当今最强大的超级计算机。这项发明是量子计算迈向“量子优越性”时代的关键一步。自20世纪80年代提出量子计算概念以来，科学家们一直期待量子计算机能解决经典计算机难以处理的问题。过去五年里，量子计算机开始逐步挑战经典计算机，尽管取得完全胜利的道路仍然充满挑战。如今，谷歌的研究团队通过一项名为“随机电路采样”（RCS）的量子算法，使用Sycamore处理器运行测试，最终找到了量子计算机超越经典计算机的条件。Sycamore是谷歌研发的量子处理器，专为执行复杂计算任务而设计。研究人员发现，当处理器在高噪声模式下运行时，经典超级计算机可以“欺骗”或击败它。然而，当噪声降低到某个阈值时，Sycamore的计算能力迅速提升，复杂到全球最快的经典超级计算机也无法仿冒。据估计，经典计算机需要10万亿年才能完成同样的任务。这一发现首次在arXiv预印本上发布，10月9日正式刊登在《Nature》上。来自全球的量子计算专家对此高度评价，认为这是Sycamore处理器真正能够超越经典计算机的有力证明。
尽管量子计算的这一突破备受瞩目，但它并不意味着量子计算机会完全取代经典计算机。Sycamore无法像普通计算机那样执行常规操作，例如存储照片或发送邮件。正如谷歌量子计算项目负责人Sergio Boixo所说：“量子计算机并不是更快，而是不同。”它们旨在完成经典计算机无法完成的任务，例如精确模拟化学反应等复杂计算。Sycamore处理器与普通计算机的硅芯片外观相似，但它能够精确控制电子的流动，执行量子级别的计算。为了减少温度波动对电子状态的干扰，Sycamore处理器被保持在接近绝对零度的超低温环境中。与经典计算机使用的二进制位（总是0或1）不同，Sycamore依赖量子比特（qubit），能够同时处于多种状态的叠加状态，这使得量子计算机在某些任务上表现出极大的效率优势。
Sycamore的成功关键在于对量子噪声的控制。研究人员发现，微小的噪声差异——例如从99.4%的无误率提升至99.7%——就能使Sycamore进入一个新的状态，类似于物质从固态转变为液态的相变。一旦噪声降低至某一阈值，Sycamore的计算输出变得无法被经典计算机模拟。过去两年中，打败经典超级计算机的努力大多集中在减少量子比特的噪声上。Foss-Feig及其团队使用56个低噪声量子比特的量子计算机运行RCS，结果证明经典计算机在这种条件下已经无法再与量子计算机竞争。
随着量子计算技术的不断突破，研究人员希望未来的量子计算机不仅能进一步减少误差，还能在更多应用领域上超越经典计算机。目前，Sycamore处理器的测试集中在RCS这一相对简单的算法上，正如Boixo所言：“如果我们无法在RCS这样最简单的应用中取得优势，我认为其他任何应用中都不可能赢。”量子计算机的独特性和潜力为未来科学计算、密码分析与设计、药物研发、气候建模等领域带来了无限可能。谷歌此次的突破性成果，为实现这一远大目标迈出了重要的一步。
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