IBM在噪声硬件上的可验证量子优势

# IBM 在含噪硬件上实现可验证的量子优势 来源：https://spectrum.ieee.org/ibm-verifiable-quantum-advantage 量子计算机（https://spectrum.ieee.org/ibm-quantum-computer-2668978269）有望解决最强大的经典超级计算机（https://spectrum.ieee.org/tag/supercomputers）无法解决的问题（https://spectrum.ieee.org/what-are-quantum-computers-used-for）。但这引出了一个根本性挑战：如何证明那些无法用其他方式计算得出的答案是正确有效的？在昨天发布的三篇论文中，IBM（https://www.ibm.com/quantum）及其合作者表示，他们已经展示了解决这一难题的多种技术。 量子计算（https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-computing）的圣杯是一台能够毫不含糊地解决经典计算机无法解决的问题的机器，这被称为“量子优势”（https://spectrum.ieee.org/quantum-echoes）。然而，确切界定什么才算优势已被证明相当棘手。迄今为止，大多数演示（https://spectrum.ieee.org/how-googles-quantum-supremacy-plays-into-quantum-computings-long-game）都依赖于高度人为设计的问题，与真实世界用例几乎没有相似之处。这些问题还难以证明其答案是正确有效的，因为经典真值缺失，而统计学的替代方法又对硬件行为有着很强的假设。 在与芝加哥大学研究人员以及量子软件初创公司 Algorithmiq（https://algorithmiq.fi/）和 Qedma（https://www.qedma.com/）的一系列合作中，IBM（https://spectrum.ieee.org/tag/ibm）声称现在已经展示了量子优势（https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-advantage）的三个独立实例，并同时提供了验证结果正确有效的方法——尽管这些结果无法在经典计算机上模拟。 “我认为这些演示证明了我们可以满怀信心地推进量子计算。”IBM Research 总监兼 IBM Fellow Jay Gambetta 在新闻发布会上表示，“首先，它们表明量子计算机（https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-computers）能够解决超越经典方法能力范围的问题——这些经典方法可以在最大的经典计算机上运行；其次，它们展示了一系列可以被可靠验证的量子计算机结果。” ## 随机量子电路变得可验证 这三篇论文（均尚未经过同行评审（https://spectrum.ieee.org/tag/peer-review)）各自从不同角度解决了验证问题。在与芝加哥大学的合作中，研究人员改进（https://arxiv.org/abs/2607.25941）了一种广受欢迎的量子优势演示方法——随机电路采样。该方法正是 Google 在 2019 年首次（后来受到质疑（https://www.quantamagazine.org/google-and-ibm-clash-over-quantum-supremacy-claim-20191023/））提出量子优势主张（https://research.google/blog/quantum-supremacy-using-a-programmable-superconducting-processor/）的基础。其做法是在量子处理器上运行一个随机生成的量子门序列，记录输出结果，然后让经典计算机复现这些结果。如果经典计算机无法复现，那就说明量子处理器做了经典计算机做不到的事情。 挑战在于：如果你无法模拟这些结果，你也就无法检查量子处理器是否真的在运行你要求的电路，还是仅仅在产生一堆噪声。此前，研究人员通过在足够简单、可以用经典方法分析的量子电路上测试机器，然后将结果外推到更大的电路来绕过这一问题。然而，这需要对硬件行为做出很强的假设。 为了绕开这一问题，IBM 和芝加哥大学团队利用了并非所有量子门都等价这一事实。所谓的“克利福德门”可以在经典硬件上高效模拟，但随着电路中非克利福德门的增加，模拟的代价会呈指数级增长。因此，研究人员完全用克利福德门构建了电路。他们采用了一种称为“时空码”（spacetime code）的方法，该方法能够检测何时发生错误并丢弃失败的运行。然后，他们逐步在可以确保不会干扰错误检测过程的位置添加非克利福德门。 这意味着，即使在 IBM Heron 处理器上运行的 70 量子比特电路中添加了 468 个非克利福德门（Gambetta 表示，这比经典可模拟的范围多出一倍以上），电路在至少 28% 未被丢弃的运行中仍能忠实执行。这听起来可能不那么令人印象深刻，但相较于以往的量子优势主张，这是一个显著改进。更重要的是，该结果带有 95% 的置信度保证，这是以往任何方法都无法提供的。主要缺点在于错误检测方案的拒绝开销很高，这意味着他们需要执行的运行次数比跳过此步骤多出 860 倍。 ## 在模拟中建立对量子结果的信任 虽然这种方法为计算保真度提供了一些具体保证，但该问题本身是专门为使其可行而设计的。IBM 及其合作者概述的另外两种方法（https://arxiv.org/abs/2607.24937 和 https://arxiv.org/abs/2607.25998）试图更接近量子计算机最终将用于的那种物理模拟问题。两者都使用 IBM 的硬件来模拟一个抽象的磁性材料理论模型，该模型受到某个参数的规律脉冲作用。两者都依赖“错误缓解”（error mitigation）——利用数学后处理来抵消当今含噪量子处理器不可避免的错误——来模拟超越领先经典方法能力的系统。 在 Qedma 的论文中，研究人员使用 IBM Heron 处理器模拟了他们模型中的振荡行为。然后，他们将结果与运行在日本 Fugaku 超级计算机（https://spectrum.ieee.org/tag/supercomputer）和 Nvidia（https://spectrum.ieee.org/tag/nvidia）H100 GPU 服务器上的领先经典技术进行了比较。在最多 35 个量子比特（https://spectrum.ieee.org/tag/qubits）的系统中，三者都产生了相同类型的振荡模式。但在 51 个量子比特时，经典方法在最初几个脉冲后就开始失效，而 74 个量子比特则完全超出了它们的能力范围。然而，Qedma 首席技术官 Netanel Lindner（https://www.linkedin.com/in/netanel-lindner-34522214/）表示，关键问题在于观察到的振荡是否真实存在。 为了验证其结果，团队让他们的方法经受了一系列挑战。首先，他们关闭了错误缓解，发现在小规模下结果就不再与经典方法一致。然后，他们将自身的缓解方法与另一种提供数学保证但无法处理更大问题的方法进行了比较，发现在小规模下两者完美吻合。但最有说服力的是，作者在完全不同的量子计算机——Quantinuum 的 H2 和 Helios 的离子阱机器——上运行了相同的模拟，观察到相同的行为。“我们使用 Quantinuum 获得的结果……与从 IBM 获得的结果完美匹配，这确实让我们对这些结果的准确性非常有信心。”Lindner 说。 Algorithmiq 的论文处理的是略有不同的问题，但采用了类似的验证方法。他们的模型并非试图模拟真实的物理动力学，而是有意设计为让经典方法难以模拟。他们在 IBM Heron 处理器上运行了一个 56 量子比特的电路，并将结果与多种领先的经典方法进行了比较。他们发现，在最具挑战性的情形下，经典方法不仅与他们的结果不一致，彼此之间也不一致。 为了确认量子处理器才是正确的那一方，他们将自己的结果与同一电路较短运行时的经典模拟进行了比较（在这些情况下经典计算仍然可靠），发现两者吻合。随后，他们使用更慢的门、在计算中故意注入噪声以及在不同的 IBM 处理器（https://spectrum.ieee.org/tag/processors）上运行了他们的模型，发现结果保持稳定。“这种一致性不是巧合，”Algorithmiq 首席执行官 Sabrina Maniscalco（https://www.linkedin.com/in/sabrina-maniscalco/）在发布会上表示，“这是证据。” ## 专家评价：优势确立是一个持续过程 苏黎世联邦理工学院（https://spectrum.ieee.org/tag/eth-zurich）的博士后研究员 Dominik Hangleiter（https://dhangleiter.github.io/）表示，这三篇论文都是优秀的科学工作。芝加哥论文中从随机电路转向更具结构性的电路以便进行验证的想法尤其有前景，他本人去年在一篇论文（https://www.nature.com/articles/s41467-024-55342-3）中也倡导了这一思路。然而，他对 Algorithmiq 或 Qedma 的研究是否展示了明确优势持更怀疑的态度，并指出作者在论文中实际上并未做出这样的主张。“两者似乎都在说：‘哦，是的，这似乎很难模拟，’我认为这很好。”他说，“他们不应该做出比这更强的断言。” 柏林自由大学教授 Jens Eisert（https://www.physik.fu-berlin.de/en/einrichtungen/ag/ag-eisert/team/professors/eisert/index.html）指出，确立量子优势并不是一个需要跨越的里程碑，而是一个持续进行的过程。他在给《IEEE Spectrum》的电子邮件中写道，这使得该领域迫切需要提出新的方法来建立对量子输出的信任，而三篇论文都以各自的方式为此做出了贡献。 “在超越直接经典模拟能力范围的领域中验证量子模拟（https://spectrum.ieee.org/tag/quantum-simulations），并不是单一的程序，”他写道，“而是通过一系列互补的验证方法来建立信心的过程。”