IBM：三项演示证明量子优势已经实现
原文链接: https://www.nextplatform.com/compute/2026/07/31/ibm-three-demonstrations-prove-quantum-advantage-has-been-reached/5282091
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IBM Heron 量子芯片
衡量量子计算日益成熟的方式有很多——从量子比特数（包括物理比特和逻辑比特）、容错阈值，到以 CLOPS（电路层操作每秒）衡量的速度，再到以 QuOps（量子操作数）衡量的可靠操作执行量。
然后就是量子优势（Quantum Advantage）。不同的人对此定义略有差异，但核心要义是：当量子系统能够比经典超级计算机更快、更廉价或更准确地解决一个实际的现实问题时，量子优势就出现了。
一些厂商已声称实现了量子优势——从谷歌去年宣布在其 Willow 芯片上运行 Google Echoes 算法，到量子基础设施软件厂商 Q-CTRL 今年 5 月表示其在 IBM 量子平台上运行软件实现了材料科学领域“实用量子优势的证据”。但科学界内部对于量子优势是否真正已经实现仍存在大量争议。
此外还有量子霸权（Quantum Supremacy）的声明，包括谷歌 2019 年关于其 53 量子比特 Sycamore 处理器的断言，以及 D-Wave 去年宣传其 Advantage 2 量子退火系统的一个版本（该声明也受到了挑战）。优势与霸权的区别在于所解决问题的实用性：量子优势要求问题是实际和现实的；而霸权则是指任何量子系统能比经典计算机更快完成的任务，即使这个任务本身毫无用处。
IBM 和量子初创公司 Pasqal 去年列出了宣布量子优势所需满足的要求。IBM 还推出了量子优势追踪器（Quantum Advantage Tracker），这是一个与平台无关的框架，用于收集和验证量子优势声明的结果。
本周，IBM 和几家合作伙伴在一系列研究论文中详细介绍了在 IBM Heron 量子芯片上运行的演示，他们表示这些演示满足了上述要求——即量子系统的工作比经典系统更准确、更廉价、更高效，且输出可以被严格验证。
IBM 研究院院士兼院长 Jay Gambetta 表示，这是向着容错、实用和商业量子计算持续迈进的重要一步。
Gambetta 在记者电话会议上说：“这些演示证明我们可以自信地推进量子计算的扩展。首先，它们表明量子计算机可以解决超越运行在最大经典计算机上的经典方法所能触及的问题。其次，它们展示了一系列可以被自信验证的量子计算机结果，即使对于经典计算机使用当前方法无法解决的问题也是如此。对我来说，这标志着该领域的一个巨大里程碑。我们现在可以将量子优势从仅仅展示计算能力——因为我们已经建立了对这些方法的信任——推进到在推进这项技术时面向科学、商业和技术的问题。”
演示一：Algorithmiq 模拟无序物质
Algorithmiq 是一家为生命科学、化学和材料科学等行业开发量子软件和算法的初创公司。八个月前，该公司向量子优势追踪器提交了一项演示，其中模拟了联合创始人兼首席技术官 Sabrina Maniscalco 所称的“现实世界的无序物质”，并创建了一个模拟框架来测试它。该项目解决了某些科学领域的一个挑战：像催化剂和电池电解质这样的材料具有不规则结构和变异，影响着它们在系统中传输能量和粒子的方式。
Maniscalco 说：“我们在学校学到的大多数物理描述的都是相当理想化的东西：理想化的材料、完美的晶体、干净对称的结构。但现实世界并非如此。所有将推动下一代清洁能源和工业的材料都是杂乱、无序和不规则的，正是这种杂乱性使它们难以模拟，也正是为什么理解这些物质如此重要。”
她表示，自该演示被纳入量子优势追踪器八个月以来，没有任何经典系统能够在大规模上可靠地重现相同的结果。IBM 在其他具有不同噪声和校准的量子处理器上运行了相同的实验，Algorithmiq 还与 Flatiron Institute 等经典模拟公司合作挑战其发现。
使用两块不同的 IBM 量子芯片进行的实验每次都在误差范围内产生了一致的结果——Maniscalco 说“这种一致性不是巧合，而是证据”——而大约半完成的经典模拟方法无法匹配量子结果。
Algorithmiq 量子模拟与经典模拟结果对比
她说：“它们甚至彼此都不一致。我们将它们推到了内存或时间方面的运行极限，并使用了所需的库。这就是为什么这一声明能保持八个月之久的原因。”
演示二：Qedma 模拟材料物理
Qedma Quantum Computing 的另一项演示专注于研究和模拟材料物理。该公司的量子误差抑制和误差缓解（QESEM）软件旨在通过抑制和缓解硬件噪声来提高量子系统的性能。
Qedma 联合创始人兼首席技术官 Netanel Linder 说：“用一般框架来说，我们研究的是由激光场、光外部驱动的材料。这是物理学研究中一个非常重要的领域，有很多技术应用，例如光电子学。这也是一个非常难以研究的系统，需要进行模拟。”
经典系统的问题在于它们只能在有限的基础上进行此类模拟。研究人员最初在搭载 48 核 AMD CPU 和 Nvidia H100 GPU 的 Fugaku 超级计算机上运行，使用 28 和 35 个电子的材料并采用有限尺寸缩放——一种物理学方法，通过研究小型计算机模型并将结果用于推断更大系统中会发生什么。在这种情况下，真实尺寸的材料有数十亿个电子。
Qedma 的测试发现，当在 Fugaku 上运行两种类型的经典模拟——分别针对时间和磁化——时，模拟最初彼此一致，但最终它们开始分道扬镳。
Linder 说：“实际上，H100 服务器耗尽了内存并开始产生非常糟糕的结果。你无法看到这些振荡。问题是，系统中是否存在振荡？为此，我们转向了量子计算机。”
Qedma 经典模拟与量子模拟结果对比
Qedma 使用 51 量子比特的 IBM 系统运行模拟——首先不使用其 QESEM 软件，然后使用具有理论收敛保证的软件模式，最后使用可以被推得更远但不包含理论保证的更高效变体。他们能够在量子系统中观察到振荡。
为了验证结果，Qedma 在 Quantinuum 的两台量子模型——H2 和 Helios上运行了测试，两者都是 trapped-ion（离子阱）系统，与 IBM 的超导量子系统模态不同——得到了与 IBM 一致的结果。然后他们在两个 74 量子比特系统上运行测试，扩展到展示具有数十亿电子的真实尺寸材料。
Quantinuum H2 和 Helios 离子阱量子系统
Qedma 在 Fugaku 上运行了 70 万 CPU 小时仍无法重现振荡。而 IBM Heron r3 “Boston” 系统仅运行了七小时。Linder 说，如果研究人员尝试进一步推动 Fugaku，他们需要使用 8 万台 GPU 服务器运行半年才能接近结果，他说“显然，这是不可能的”。
“最终，这是第一个在商用硬件上使用商用软件完成的量子优势实验，”他说。“我们展示了误差抑制对解锁量子性能和获得可信结果有多么重要。”
演示三：芝加哥大学创建 RCS 替代方案
在与 IBM 的合作中，芝加哥大学研究人员创建了一种结构化的随机电路采样（RCS）替代方案。RCS 是一种长期用于测试量子系统是否能超越经典计算机的基准。RCS 的工作原理是让量子系统生成经典计算机无法高效重现的过于复杂的模式。IBM 的 Gambetta 表示，关键障碍在于验证。
在这种情况下，随着问题变得更加困难，在不假设量子系统如何工作的情况下证明量子系统正确性变得更加困难甚至不可行。Gambetta 说，这就是对计算信任变得重要的地方。研究人员一直在研究时空码（spacetime codes），他们创建了一个极其复杂的电路，然后注入绝缘量子比特，测量对称性，并过滤结果以执行纠错码。
“这使我们能够使用大约 21 个绝缘比特在约 70 个逻辑量子比特上运行，并运行多达 2,415 个逻辑双量子比特门，”他说。“如果你观察这一点并取设备的物理误差……我们有效地将其降低了 10 倍。”
芝加哥大学 RCS 替代方案的逻辑量子比特验证结果
它还包括 468 个逻辑 T “硬”门，与 2,415 个逻辑门一起证明了量子电路的复杂性。该电路被编码，有助于实现比物理错误率低十倍的逻辑错误率，从而实现高保真度。
“由于代码的对称性和门在系统上的执行方式，我们可以用 T 门掺杂它而不会增加任何误差，”他说。他指出该演示运行了大约 16 分钟，相比之下经典系统的模拟时间要长得多。“本质上，我们的系统上有一个纠错码。我们可以测量保真度。我们可以通过用 T 门掺杂来增加经典结果的复杂性来模拟它。”
他们通过添加更多 T 门——最多 75 个——并获得相同的结果来验证模拟。
Gambetta 说：“随着我们添加更多 T 门，我们没有看到纠错码的任何属性发生变化。纠错码本质上是将我们置于正确的子空间，允许纠错工作，我们可以增加 T 门的复杂性，使我们能够获得复杂性分离。”
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