IBM 及其合作伙伴表示，量子计算机现已发展到能够执行经典方法在当今计算机上无法复现和验证的计算。

尽管考虑到实用量子计算机似乎总是“五年后”才能到来，这绝对是一个进步信号，但我们也正逐步接近这样一个阶段：我们需要新的方法来确认量子计算机是否确实得出了正确答案。

毕竟，一个无人能够验证的结果并没有太大用处。

正如 IBM 和芝加哥大学研究人员在 IBM 与合作伙伴周四发布的三篇论文之一中所指出的，要相信量子计算机能够“在特定任务上实现对经典计算的指数级运行时分离”，我们必须信任其结果。

“除了复杂性理论基础之外，……可扩展的量子优势演示必须满足另外两个标准，”研究人员写道。“第一，随着电路规模的增加，必须相应地抑制噪声，使实验在扩展过程中能够逃避经典模拟 [13]。第二，即使在存在噪声的情况下，也必须能够相信这些复杂计算是以高保真度执行的。”

IBM 及其合作伙伴宣布，他们找到了在这些结果中建立信心的新方法。研究人员描述的计算超越了他们测试的领先经典方法，同时仍提供了评估结果的方式。

虽然 IBM 和芝加哥大学主导了该研究，但 Qedma、RIKEN、BlueQubit 和 Algorithmiq 在各个方面都提供了支持。

所有三篇论文均在本周以预印本形式发布，尚未经过同行评审。

只有一篇论文明确将其实验描述为量子优势协议。在一份新闻稿中，IBM 认为该论文中描述的工作是“量子计算的一次演示，它达到了量子优势的基本标准：执行超出领先经典模拟方法能力的计算，同时提供计算返回准确结果的信任。”

另外两篇论文使用了更谨慎的措辞，关于超越测试的经典方法并建立对量子结果的信心。

它们都使用了 IBM 的 Heron R3 量子处理器，但侧重点各不相同。其中一篇对困难量子电路的保真度给出了定量下限。另外两篇依赖于误差缓解、重复运行、较小的基准测试以及与最终停止一致的经典模拟的比较。

如果这些结果成立，这将标志着量子计算的一个重要转变，使我们更接近于量子计算机能够执行超出经典机器能够检查每个答案范围的可信工作。

将验证构建到电路中

在第一篇论文中，IBM 和芝加哥大学的研究人员将 70 量子比特电路编码到 97 个物理量子比特上。70 个量子比特执行计算，而 27 个辅助量子比特测量可揭示错误的校验。

计算始于 Clifford 电路，这为测试量子硬件提供了一个良好的基线，因为经典计算机可以有效地模拟它。然后研究人员添加了 468 个 T 门，它将量子比特的相位旋转 45 度，使电路在不干扰其错误检查的情况下更难用经典方法复现。

图片来源：IBM/芝加哥大学

当辅助量子比特测量产生非零综合征时，研究人员会丢弃该运行，这一过程称为后选择。70 量子比特电路包含 2,415 个纠缠 CZ 门，并在 16.1 分钟内生成了 2,051 个后选择样本。

错误检查还为研究人员提供了足够的信息，以 95% 的置信度建立了 0.284 的保真度下限。保真度衡量机器产生的状态与它应该产生的状态的匹配程度。该论文将其描述为设备相关的证书：它使用来自硬件检查的信息，而不是仅从输出样本证明正确性。

“验证仍然是牢固确立实验性量子优势的最大挑战之一，”芝加哥大学副教授 Bill Fefferman 在公告中说道。

该论文认为，在标准复杂性假设下，模拟这个电路族在计算上是困难的。对于具体实验，研究人员分析了领先的张量网络和稳定器方法，并估计用这些方法的当前版本模拟完整电路是不切实际的。该论文明确留下了另一种经典算法可能利用其结构的可能。

值得强调的是，我们在这里讨论的并不是一个 70 量子比特的容错计算机。该电路检测错误并丢弃受影响的运行。它不实时纠正错误。这种错误检测方法也有代价。对于编码的 Clifford 基准测试，后选择将有效采样率降低了 860 倍，但作者指出，“这种减速对于超导系统是可以容忍的，并且仍然使它们比囚禁离子和中性原子系统更快。”

当经典模拟停止一致时

在第二篇论文中，Qedma 使用 IBM 的处理器模拟了二维 Floquet 伊辛模型，该模型描述了模型磁体在受到外部脉冲重复序列打击时的行为。

这些模拟涵盖了 51 和 74 量子比特的系统。在计算的早期阶段，经典和量子结果一致。但随着模拟的继续，团队测试的经典技术要么停止收敛，要么开始返回相互矛盾的答案。然而，经过误差缓解的量子计算继续显示出持续的振荡。

Qedma 在早期周期使用了无偏的误差缓解技术，与经典验证仍然可能的窗口重叠。为了达到后期周期，它切换到一种更具可扩展性但不具备相同理论保证的技术。

然后，研究人员在 Quantinuum 的 H2 和 Helios 囚禁离子处理器上重复了 51 量子比特计算的选定周期，这些处理器使用非常不同的硬件，并且具有与 IBM 超导处理器不同的错误特性。

“在这里，我们实际上在测试事物本身，” Qedma 联合创始人兼 CTO Netanel Lindner 谈到了跨平台运行。他认为，在不同类型的量子计算机上运行选定周期的完整电路，结合早期周期的无偏结果，提供了强有力的佐证。

这里的核心思想是，从不同的量子架构获得相似的结果，使得观察到的振荡不太可能来自一台机器的错误。不过，该论文也有一些保留。它将结果描述为一个实用的经典前沿，而不是渐近的、复杂性理论的分离，并指出有限的系统尺寸数量及其不同的形状阻止了对无限大系统的受控外推。

通过误差缓解建立信任

与此同时，在第三篇论文中，Algorithmiq 和 IBM 使用 56 个量子比特来测量算符 Loschmidt 回波，这基本上是一种跟踪信息如何通过故意异质量子系统移动的方法。

Algorithmiq 认为这具有现实世界的相关性。催化剂和电池电解质包含界面、杂质和局部变化，这些变化会影响信息、能量和粒子如何通过它们移动。Algorithmiq 联合创始人兼 CEO Sabrina Maniscalco 将这些材料描述为“杂乱、无序且不规则的”。

但该实验并没有模拟特定的催化剂或电池。相反，团队在量子比特格子上改变了局部场，为信息传播创造了快慢路径。这为研究人员提供了一个测试案例，用于处理 Algorithmiq 认为未来材料和化学模拟所需的异质动力学。

图片来源：IBM/Algorithmiq

不同的经典近似在参数范围的不同部分与量子计算一致，但没有一个在整个范围内返回可靠的答案。IBM 在不同的处理器上重复计算，更改门时序和校准，并注入额外的噪声。在误差缓解后，结果保持一致。

Maniscalco 将此称为量子优势的演示，并表示相关的算符 Loschmidt 回波基准已在社区主导的 Quantum Advantage Tracker 上经受住了八个月的挑战。在这种情况下，“优势”并不意味着量子结果是针对已知答案进行检查的。值得注意的是，量子估计保持稳定，而团队测试的经典方法未能提供一致的估计。

该论文将量子估计描述为所考虑方法中“最可信的”。

该论文还区分了两个级别的验证。它的形式化误差界限技术在经典验证仍然可能的较浅电路上得到了演示。更难的 56 量子比特计算依赖于启发式的全局重标度，研究人员通过故意改变影响电路的噪声对其进行了测试。

“这是曲线上的一个点。它不是终点线，”Maniscalco 说。她补充说，商业影响仍在前方。

同样值得注意的是，没有一篇论文排除了可能为这些问题开发的所有经典算法。

“证明一个否定结果极其困难，”Gambetta 承认。

社区主导的 Quantum Advantage Tracker 发布了所有三个问题家族的电路，以及选定的量子和经典结果，并允许研究人员用更好的经典方法对其提出挑战。它目前并未将所有三篇论文的完整标题结果呈现为活动条目。

接下来会怎样

既然 IBM 已经提出了它的论点，其他研究人员就轮到他们了。当涉及到使用“量子优势”一词的量子计算公告时，通常会伴随着某种程度的争议 随之而来。

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