IBM宣称利用新型验证技术实现量子优势

量子计算机有望解决最强大的经典超级计算机无法处理的问题。但这带来了一个根本性挑战：对于那些无法用其他方式计算得出的答案，如何证明其有效性？IBM及其合作团队于近日发布的三篇论文中，声称已展示了多种解决这一难题的技术。

量子计算领域的终极目标，是研制出一台能够明确解决经典计算机无法完成任务的机器，这一概念通常被称为"量子优势"。然而，如何准确界定"量子优势"，至今仍颇具争议。目前大多数相关演示所依赖的问题高度人为设计，与实际应用场景相去甚远。此外，由于缺乏经典计算作为基准，而统计学上的变通方法又依赖于对硬件行为的强假设，这些演示在验证答案正确性方面也面临重重困难。

IBM与芝加哥大学研究人员，以及量子软件初创公司Algorithmiq和Qedma合作，声称已在三个独立实例中展示了量子优势，同时提出了能够验证计算结果正确性的方法——即便这些结果无法通过经典方式模拟。

IBM研究院院长、IBM院士杰·甘贝塔在新闻发布会上表示："我认为这些演示证明，我们可以有信心地推动量子计算向前发展。一方面，它们表明量子计算机能够解决超出最大经典计算机处理能力的问题；另一方面，它们展示了一系列可以被可靠验证的量子计算结果。"

上述三篇论文均尚未经过同行评审，各自从不同角度切入验证问题。在与芝加哥大学的合作中，研究团队对一种名为"随机电路采样"的主流量子优势验证方法进行了改进。该方法曾是谷歌2019年首次宣称（此后受到质疑）实现量子优势的基础：在量子处理器上运行随机生成的量子门序列，记录输出结果，再由经典计算机尝试复现。若经典机器无法复现，则说明量子处理器完成了经典机器力所不及的任务。

然而，问题在于——如果无法模拟结果，也就无从验证量子处理器是否真正执行了预设的电路，还是仅仅输出了一堆噪声。以往的做法是在足够简单、可经典分析的量子电路上对机器进行测试，再将结果外推至更大规模的电路，但这需要对硬件行为作出强假设。

为了解决这一问题，IBM与芝加哥团队利用了量子门之间的差异性：所谓"Clifford门"可以在经典硬件上高效模拟，而"非Clifford门"则随着数量增加使模拟成本呈指数级上升。为此，研究人员构建了完全由Clifford门组成的电路，并采用他们称之为"时空码"的方法，使电路能够检测错误并舍弃失败运行。随后，他们在不破坏错误检测机制的前提下，逐步引入非Clifford门。

最终，在IBM Heron处理器上运行的70量子比特电路中，即便加入468个非Clifford门——据甘贝塔介绍，这已是经典可模拟量的两倍以上——至少28%的未被舍弃运行仍能忠实执行电路。这一结果或许听上去并不惊艳，但相较于此前的量子优势声明已有显著提升。更重要的是，该结果附带95%的置信度保证，这是此前任何方法都未能实现的。主要的不足在于，错误检测方案的拒绝开销较高，导致实验运行次数是省略该步骤时的860倍。

尽管上述方法为计算保真度提供了一定的明确保证，但该问题的设计本身就是为了使验证成为可能。IBM与另外两家合作方提出的方案则尝试处理更接近量子计算实际应用场景的物理模拟问题。两者均使用IBM硬件模拟了一种磁性材料在某一参数周期性脉冲下的抽象理论模型，并借助"错误缓解"技术——即通过数学后处理抵消当前含噪量子处理器中不可避免的错误——模拟了超出领先经典方法处理能力的系统。

在与Qedma合作的论文中，研究人员使用IBM Heron处理器模拟了该模型中的振荡行为，并将结果与运行在日本富岳超级计算机和英伟达H100 GPU服务器上的领先经典方法进行对比。在最多35量子比特的系统中，三者均产生了相同的振荡模式；但在51量子比特时，经典方法在最初几次脉冲后出现偏差；而74量子比特则完全超出了经典方法的处理范围。

Qedma首席技术官内塔内尔·林德纳指出，关键问题在于：所观测到的振荡是否真实存在？为此，研究团队对结果进行了一系列验证：关闭错误缓解后，结果在较小规模下也开始与经典方法产生偏差；将该缓解方案与一种提供数学保证但无法处理较大规模问题的方案进行对比，两者在小规模下完美匹配；最关键的是，研究人员在完全不同的量子计算机——Quantinuum的H2和Helios离子阱机器——上运行了相同的模拟，观测到了相同的行为。林德纳表示："我们从Quantinuum获得的结果与IBM的结果完美吻合，这让我们对这些结果的准确性充满信心。"

Algorithmiq的论文处理的是一个略有不同的问题，但验证方法类似。与其说是模拟真实的物理动力学，他们的模型更多是被刻意设计为难以用经典方法模拟的。研究人员在IBM Heron处理器上运行了56量子比特的电路，并与多种领先的经典方法进行对比，发现在最具挑战性的参数区间内，各种经典方法不仅与量子结果不符，相互之间也存在出入。

为了验证是量子处理器的结果更为准确，研究团队将量子结果与同一电路较短运行段的经典模拟结果进行比对——此时经典计算仍然可靠——发现两者匹配。此后，他们还在使用较慢门速、人为注入噪声以及不同IBM处理器的条件下运行该模型，结果均保持稳定。Algorithmiq首席执行官萨布里纳·马尼斯卡尔科在发布会上表示："这种一致性并非巧合，而是证据。"

瑞士苏黎世联邦理工学院博士后研究员多米尼克·汉格雷特认为，三篇论文均属优质科学研究。芝加哥团队提出的从随机电路转向具有更多结构的电路、从而支持验证的思路尤为值得期待——他本人去年也曾在一篇论文中倡导这一方向。不过，他对Algorithmiq和Qedma的研究是否真正展示了明确的量子优势持较为审慎的态度，并指出作者在论文中实际上并未提出这样的主张。"他们两家似乎都在说：'这个问题看起来很难用经典方法模拟。'我认为这是合适的，他们不应该提出比这更强的论断。"

柏林自由大学教授延斯·艾泽特则指出，建立量子优势并非一个需要跨越的里程碑，而是一个持续演进的过程。这使得为量子输出结果建立信任的新方法愈发关键，而三篇论文各自以不同方式为此作出了贡献。他在发给IEEE Spectrum的电子邮件中写道："在超出经典模拟直接处理能力的范围内验证量子模拟，并不是一套单一的程序，而是通过一系列互补验证方法持续积累信心的过程。"

Q&A

Q1：IBM所说的"量子优势"具体指什么？

A：量子优势是指量子计算机能够解决经典计算机无法完成的问题。IBM在三项合作研究中声称，其量子处理器完成了超出最强大经典计算机模拟能力的计算，并通过多种验证方法为结果的正确性提供了佐证。其中，随机电路采样实验还提供了95%的置信度保证，这是此前任何量子优势演示都未能实现的。

Q2：IBM是如何验证量子计算结果正确性的？

A：三篇论文各采用不同策略：第一种借助Clifford门构建可检测错误的电路，逐步引入非Clifford门并保留验证能力；第二种（Qedma）将IBM处理器结果与日本富岳超级计算机、英伟达H100的结果对比，并在Quantinuum的不同量子计算机上重复实验，发现结果高度吻合；第三种（Algorithmiq）通过与经典模拟短电路结果比对、在不同噪声和硬件条件下测试稳定性来验证结果可靠性。

Q3：这三篇论文是否已经过同行评审？研究结论可信吗？

A：三篇论文均尚未完成同行评审。外部学者评价不一：苏黎世联邦理工学院研究员汉格雷特认为这些研究属于优质科学，但对Algorithmiq和Qedma是否真正实现量子优势持保留态度；柏林自由大学教授艾泽特则强调，量子优势的建立是一个持续积累信心的过程，三篇论文都为这一过程作出了贡献。