别再争论“量子霸权”了，量子效用时代已开幕

自2019年谷歌宣称实现“量子霸权”以来，全球量子计算领域已经从最初的学术验证竞赛，演变为一场关于工程精度、验证逻辑以及现实应用效用的多维度博弈。量子优势这一概念，在过去数年间经历了从“单一时刻宣称”到“持续演进过程”的深刻范式转移。

正如科学史上无数次重大的技术跨越一样，量子计算的崛起并非一蹴而就的剪彩仪式，而是一个在噪声中寻找秩序、在怀疑中建立标准、在极限中突破边界的漫长征途。当前的学术争论焦点已不再仅仅停留在“量子计算机是否能超越经典超级计算机”这一初级命题，而是转向了更深层次的追问：什么样的数据才算数？什么样的加速是不可逾越的？以及，我们如何在含噪声的现状中锚定通向商业价值的坐标。

被重新定义的“时刻”

2019年，谷歌利用其53个量子比特的Sycamore处理器在200秒内完成了一项据称经典超级计算机需要一万年才能完成的任务，这一“量子时刻”瞬间引爆了全球科技界的关注。然而，这种轰动效应很快便在学术界的严密审视下转化为了复杂的争议。IBM等竞争对手随后指出，通过改进经典算法和存储优化，超级计算机能够在数天甚至更短时间内复现同样的结果。这一事件标志着量子计算进入了一个被称为“被重定义的时刻”：量子优势不再是一个一劳永逸的科学事实，而是一场量子硬件与经典算法之间此消彼长的长跑赛。

这种竞争现状导致了学术界的分歧日益明显。一方面，尽管实验规模在不断扩大，从几十个比特增加到上百个甚至上千个，但“是否已真正实现优势”的判定标准却变得更加苛刻。争论的重心已经从最初的“量子计算机能否运行某项任务”转移到了“该任务是否对经典算法具有防御性”以及“结果是否可被高效验证”。事实上，量子优势的实现是一个动态的相变过程，它不仅取决于量子位的数量，更取决于噪声控制的精度、逻辑比特的编码效率以及经典算法在模拟量子相干性方面的计算上限。

定义的博弈：在衡量什么？

在量子优势的论证过程中，如何准确、客观地衡量量子系统的输出质量，是当前争议的核心。由于量子系统天然的脆弱性，环境噪声、热涨落及量子位间的串扰都会导致计算过程偏离理想轨迹。为了评估这种偏离程度，业界引入了一系列复杂的衡量指标，而其中最具代表性但也最受争议的便是交叉熵基准。

（一）交叉熵基准（XEB）的局限性与噪声相变

XEB的基本逻辑是通过将量子芯片生成的样本与经典模拟生成的概率分布进行比对，来推算量子线路的平均保真度。然而，研究者们发现XEB并非在所有状态下都是可靠的代用指标。在最近的理论研究中，科学家们提出了一个关于XEB可靠性的“噪声相变”模型，这一发现深刻影响了我们对实验结果的解读。

在强噪声机制下，量子线路的保真度会随着系统大小和深度的增加而指数级下降，直至接近零；但XEB的测量值却可能因为噪声在采样过程中的特定表现而维持在一个看似“稳定”的非零常数。这意味着，如果一个实验运行在强噪声区间，即使观测到了XEB的信号，也不能代表该计算是具备量子硬度的。这种指标与理想状态之间的“鸿沟”，正是许多量子优势声称遭到质疑的技术根源。

（二）保真度与噪声的角力

在随机线路采样（RCS）实验中，量子优势的说服力主要建立在“大规模且低噪声”的双重基础上。当噪声率随比特数增加而维持在极低水平，甚至有所降低时，量子优势才被视为“稳妥的赌注”。如果噪声增长速度超过了比特规模带来的指数级算力提升，那么量子优势将迅速被噪声淹没。目前，最前沿的研究如谷歌的Willow芯片和Quantinuum的H2-1处理器，正致力于在增加比特数的同时，将双比特门错误率压低到10-3以下，甚至挑战“三个九”（99.9%）的保真度红线。

（三）可验证性vs实用性：一个深刻的悖论

“不可验证的计算是否有用”已成为量子计算哲学中的一个核心命题。对于超出经典超级计算机模拟能力的量子计算，我们无法通过“对答案”的方式来确认其正确性。这就要求量子优势的论据必须从纯粹的统计采样转向具有物理意义的、可交叉验证的任务。例如，设计高温超导体或复杂催化剂的电子结构模拟。虽然我们无法在经典计算机上精确模拟其所有量子叠加态，但可以通过实验室合成物理材料并测量其磁化率、电导率等宏观物理指标，来验证量子模拟器的预测精度。这种“物理现实验证”路径，比单纯的数学采样更具现实意义。IBM在127比特的Eagle处理器上对Ising模型动态的模拟，正是沿着这一路径展开的：当经典张量网络模拟在强纠缠态下失效时，量子处理器依然能输出与物理预期相符的磁化预测值。

当前实验的进展与反击

尽管经典模拟算法（如张量网络和高效采样算法）在近年来不断尝试“狙击”量子优势的声称，但量子硬件在2024至2026年间通过一系列极具防御性的实验，重新确立了其算力门槛。这场竞争的核心已经超越了单纯的“算得快”，转而追求“可验证”且“对经典算法具有防御性”的加速。

谷歌（Google）最新的Willow芯片实验便是这一转向的典型代表。在发表于《自然》杂志的研究中，谷歌团队利用其具备105个物理比特的Willow处理器，成功演示了名为“量子回声”的算法，首次实现了在硬件上运行的可验证量子优势。该算法通过测量“非时序相关子（OTOC）”来模拟量子系统的时序混乱过程。实验中，65个量子比特在经历复杂的随机线路演化后，利用量子干涉的放大效应，能够精确捕捉到由于微小扰动引发的相干信号。数据表明，Willow仅需约2小时便能完成的任务，在目前全球最强的超级计算机Frontier上估计需要13000倍的时间才能达到同等精度。更重要的是，这种优势是“量子可验证”的，其结果可以被其他同等级别的量子处理器交叉验证，从而摆脱了过去RCS实验中难以对账的尴尬境地。

与此同时，离子阱与超导等多种技术平台正呈现出齐头并进的态势，不断刷新着实验纪录。Quantinuum公司的H2-1处理器通过将其物理比特数从32个升级至56个，并结合其独特的全连接架构，在随机线路采样（RCS）测试中取得了惊人的XEB分数——约为0.35。这一数值相较于2019年谷歌最初实验中0.002的精度提升了100倍以上，意味着该设备在处理极其复杂的量子线路时，约有35%的概率能产出完全无误的结果。此外，在能效比方面，H2-1在执行同等任务时比传统超级计算机降低了约30000倍的功耗，展现了量子计算在绿色计算领域的潜在现实意义。

IBM则在127比特的Eagle处理器上进一步巩固了其提出的“量子效用”理念。通过先进的误差缓解技术，IBM成功模拟了Ising模型中的自旋动力学过程，并准确预测了物质的磁化属性。在纠缠强度较高的机制下，这种模拟展现出了令传统张量网络近似算法（如1D MPS或2D isoTNS）失效的复杂度。南加州大学的Daniel Lidar团队更是利用IBM的Eagle处理器，在解决Simon问题的变体时演示了“无条件指数级”的加速。这种加速不依赖于对经典算法能力的任何未证实的假设，而是通过动态解耦和测量误差缓解等精密手段，使量子性能差距随变量增加而呈指数级翻倍，标志着量子优势正步入一个逻辑更加无懈可击的新阶段。

从NISQ到纠错时代的跨越

尽管NISQ设备在科学验证上展现了前所未有的潜力，但要通往真正的商业化未来，必须跨越从物理比特到逻辑比特的纠错鸿沟。当前的量子系统通常只能执行数十到数百个门操作，而要实现诸如复杂化学催化模拟或破解RSA-2048等应用，所需的门操作数量规模在109到1012之间。这意味着，量子计算正处在一个从“实验原型”向“工程化纠错”转型的关键期。

在资源需求缩减方面，Craig Gidney在2025年提出的研究方案引发了安全界和学术界的广泛讨论。通过引入“近似残余算术”和“幻影代码”等创新技术，他将破解RSA-2048所需的量子资源估算从原先的2000万个物理比特大幅削减至不到100万个，且运行时间控制在了一周之内。这一突破的核心在于利用了2024年由Chevignard等人开发的近似模幂运算方法，它允许将复杂的指数运算拆解为更小的片段，从而实现量子寄存器的“循环利用”，彻底打破了“一比特一寄存器”的资源瓶颈。

在纠错理论与架构层面，Norman Yao等人于2026年初定义的“幻影代码”为实现零开销的容错计算开辟了新路径。这类新型稳定器码的精妙之处在于，它能通过在编译阶段对物理比特进行简单的“重新标记”，直接在逻辑比特之间产生纠缠门。对于硬件而言，这意味着不需要发射物理门脉冲，原子或电路无需实际移动，从而实现了理论上的“完美保真度”与“零时间开销”。在GHZ态制备和多体物理模拟任务中，幻影代码被证明能将逻辑不保真度降低1到2个数量级，这种通过逻辑结构消解硬件噪声的思路，极大加速了容错量子计算的到来。

此外，非局部连接性正成为超越传统二维超导架构的关键推力。Photonic公司开发的SHYPS系列量子LDPC代码，利用灵活的“任意对任意”连接，在单一代码块内编码了多个逻辑比特。这种架构相比于仅依赖近邻耦合的表面码，所需的物理比特开销减少了约20倍，且引入了“单次”错误检查机制，将错误检测的运行时间缩短了约30倍。随着微软与Quantinuum合作利用32个物理比特创造出12个高可靠逻辑比特，并展示出优于“盈亏平衡点”的纠错表现，我们已经看到，纠错不再是纸面上的理论，而是正在逐步转化为实实在在的算力增益。

实用主义的转向

当下的量子计算正经历从“科幻构想”到“实用科研工具”的深刻转向。这种转变的核心在于，业界开始意识到，与其陷入“完美定义下的绝对优势”这一哲学陷阱，不如关注量子计算在解决物理模拟和科学探索难题中所展现出的实质性“效用”。

量子优势的实现不是一个瞬间完成的静态标志物，而是一个动态的相变过程。正如2019年的Sycamore吹响了号角，2025年的Willow确立了验证的标准，而2026年的“幻影代码”和QLDPC技术正在拓宽其应用的地平线。

量子优势的终点线确实在移动，因为我们对“什么是计算”以及“如何纠正计算中的错误”的认知正在飞速进化。在这一过程中，我们可能会发现，那个被追求多年的“峰峦”其实是一个台阶，而在这台阶之上，是一个由量子力学底层逻辑定义的、全新的算力纪元。正如IBM的研究者所言，我们已经进入了一个由量子驱动的“效用时代”，在这个时代里，量子计算机不再仅仅是为了展示算力奇迹，而是为了揭示宇宙深处最细微、最本质的真实。

[1]https://thequantuminsider.com/2026/01/12/quantum-advantage-has-likely-been-achieved-the-debate-is-over-what-counts/

[2]https://quantumfrontiers.com/2026/01/06/has-quantum-advantage-been-achieved/

[3]https://quantumfrontiers.com/

[4]https://blog.google/innovation-and-ai/technology/research/quantum-hardware-verifiable-advantage/

[5]https://www.ibm.com/quantum/blog/simons-problem-quantum-speedup

[6]https://www.quantinuum.com/press-releases/quantinuum-unveils-accelerated-roadmap-to-achieve-universal-fault-tolerant-quantum-computing-by-2030