IBM 及其合作夥伴表示，量子電腦 現已發展到能執行傳統方法在今日電腦上無法複製與驗證的計算。

雖然這確實是進展的跡象，因為實用的量子電腦似乎總是還差五年，但我們現在也正走到需要新方法來檢查量子電腦是否真的得出正確答案的階段。

畢竟，沒有人能驗證的結果並不是那麼有用。

正如 IBM 與芝加哥大學研究團隊在 IBM 與合作夥伴週四發表的其中一篇論文中所指出的，要相信量子電腦能「在特定任務上達成指數級執行時間優於傳統計算」，我們需要相信其結果。

研究人員寫道：「除了複雜度理論基礎之外，[…] 可擴展的量子優勢展示必須滿足另外兩個標準。第一，電路規模的增加必須搭配相應的雜訊抑制，使實驗在規模擴大時仍能避開傳統模擬 [13]。第二，即使存在雜訊，也必須能相信這些複雜計算是以高保真度執行。」

IBM 及其合作夥伴宣布，他們找到了新的方法來建立對這些結果的信心。研究人員描述的計算超越了他們所測試的領先傳統方法，同時仍提供了評估結果的途徑。

雖然研究由 IBM 與芝加哥大學主導，但 Qedma、RIKEN、BlueQubit 與 Algorithmiq 也在各方面提供了支援。

所有三篇論文本週均以預印本形式發表，尚未經過同行評審。

只有其中一篇論文明確將其實驗描述為量子優勢協定。在新聞稿中，IBM 認為該論文所描述的工作是「量子計算的展示，達成了量子優勢的基本標準：執行超越領先傳統模擬方法的計算，同時提供對計算回傳準確結果的信心。」

另外兩篇論文在超越所測試的傳統方法以及建立對量子結果的信心方面，使用了更謹慎的措辭。

三篇論文皆使用 IBM 的 Heron R3 量子處理器，但各自焦點非常不同。其中一篇對困難量子電路的保真度給出定量下界。另外兩篇則依賴錯誤緩解、重複執行、較小的基準，以及與最終不再一致的傳統模擬進行比較。

如果這些結果成立，這將標誌量子計算的重要轉變，讓我們更接近量子電腦能夠執行可信工作、超越傳統機器可檢查每一答案的階段。

將驗證內建於電路

在第一篇論文中，IBM 與芝加哥大學研究人員將一個 70 量子位元電路編碼到 97 個物理量子位元上。70 個用於執行計算，27 個輔助位元則測量可揭示錯誤的檢查。

計算從 Clifford 電路 開始，這是測試量子硬體的良好基準，因為傳統電腦可以有效率地模擬它。研究人員接著加入 468 個 T 閘，它們使量子位元的相位旋轉 45 度，並使電路在不干擾其錯誤檢查的情況下，變得更難以傳統方式重現。

圖片來源：IBM/University of Chicago

當輔助位元測量產生非零症候群時，研究人員會丟棄該次執行，這一過程稱為後選（postselection）。這個 70 量子位元電路包含 2,415 個糾纏 CZ 閘，並在 16.1 分鐘內產生 2,051 個後選樣本。

錯誤檢查也提供了足夠資訊，讓研究人員能以 95% 信心水準建立 0.284 的保真度下界。保真度衡量機器產生的狀態與預期狀態的接近程度。論文將此描述為裝置依賴的證書：它使用來自硬體檢查的資訊，而非僅從輸出樣本證明正確性。

芝加哥大學副教授 Bill Fefferman 在公告中表示：「驗證仍然是穩固建立實驗性量子優勢的最大挑戰之一。」

論文主張，在標準複雜度假設下，模擬這類電路家族在計算上是困難的。針對特定實驗，研究人員分析了領先的張量網路與穩定器方法，並估計以這些方法的當前版本模擬完整電路是不切實際的。論文明確保留了其他傳統演算法可能利用其結構的可能性。

值得強調的是，我們在此討論的並非 70 量子位元的容錯電腦。該電路能偵測錯誤並丟棄受影響的執行，但無法即時修正錯誤。這類錯誤偵測方法也有代價。對於編碼後的 Clifford 基準，後選使有效取樣率降低了 860 倍，但作者指出「這種減速對於超導系統是可以容忍的，且仍使其比離子阱與中性原子系統快。」

當傳統模擬停止一致時

在第二篇論文中，Qedma 使用 IBM 的處理器模擬二維 Floquet 伊辛模型，該模型描述模型磁體在受到重複外部脈衝序列撞擊時的行為。

這些模擬涵蓋 51 與 74 量子位元的系統。在計算的較早階段，傳統與量子結果一致。但隨著模擬繼續進行，團隊所測試的傳統技術要麼停止收斂，要麼開始回傳衝突答案。然而，經過錯誤緩解的量子計算仍持續顯示持久的振盪。

Qedma 在較早週期使用無偏誤的錯誤緩解技術，與傳統驗證仍有可能的視窗重疊。為了達到較晚的週期，它切換到更具可擴展性的技術，但該技術不具相同的理論保證。

研究人員接著在 Quantinuum 的 H2 與 Helios 離子阱處理器上，重複執行 51 量子位元計算的選定週期；這些處理器使用與 IBM 超導處理器截然不同的硬體，且具有不同的錯誤特性。

Qedma 聯合創辦人兼技術長 Netanel Lindner 表示：「這裡我們實際上是在測試事物本身。」他認為，在不同類型的量子電腦上執行完整電路的選定週期，再結合無偏誤的早期週期結果，提供了強有力的佐證。

此處的核心概念是，從不同量子架構獲得相似結果，使觀察到的振盪來自單一機器錯誤的可能性降低。不過論文也稍作保留。它將結果描述為實務上的傳統前沿，而非漸近的複雜度理論分離，並指出有限的系統尺寸及其不同形狀，無法對無限大系統進行受控外推。

透過錯誤緩解建立信任

同時，在第三篇論文中，Algorithmiq 與 IBM 使用 56 個量子位元來測量算子 Loschmidt 回音，這基本上是一種追蹤資訊如何在刻意異質量子系統中移動的方法。

Algorithmiq 認為這具有可能的真實世界相關性。催化劑與電池電解質包含影響資訊、能量與粒子如何在其中移動的介面、雜質與局部變化。Algorithmiq 聯合創辦人兼執行長 Sabrina Maniscalco 將這些材料描述為「混亂、無序且不規則」。

但該實驗並未模擬特定的催化劑或電池。相反，團隊改變量子位元晶格上的局部場，創造資訊傳播的快慢路徑。這為研究人員提供了 Algorithmiq 認為未來材料與化學模擬將需要處理的異質動態測試案例。

圖片來源：IBM/Algorithmiq

不同的傳統近似在參數範圍的不同部分與量子計算一致，但沒有一種能在整個範圍內回傳可靠答案。IBM 在不同的處理器上重複計算，改變閘極時序與校準，並注入額外雜訊。經過錯誤緩解後，結果仍保持一致。

Maniscalco 稱此為量子優勢的展示，並表示相關的算子 Loschmidt 回音基準已在社群主導的 Quantum Advantage Tracker 上經歷八個月的挑戰。在此情況下，「優勢」並不意味量子結果已與已知答案進行核對。值得注意的是，量子估計值保持穩定，而團隊所測試的傳統方法未能提供一致的估計值。

論文將量子估計值描述為在所考慮的方法中最可信的。

論文也區分了兩種驗證層級。其正式的錯誤界限技術已在較淺的電路上展示，此時傳統驗證仍有可能。而較困難的 56 量子位元計算則依賴啟發式全局重新縮放，研究人員透過刻意改變影響電路的雜訊來測試這一點。

Maniscalco 表示：「這是曲線上的一個點。這不是終點。」她補充說，商業影響仍在未來。

同樣值得注意的是，沒有任何一篇論文排除了可能為這些問題開發的所有傳統演算法。

Gambetta 承認：「證明空集合的結果極其困難。」

社群主導的 Quantum Advantage Tracker 發布了這三個問題家族的電路，以及選定的量子與傳統結果，並允許研究人員以更好的傳統方法挑戰它們。目前尚未將三篇論文的完整標題結果呈現為活躍條目。

接下來呢

現在 IBM 已提出其論點，其他研究人員輪到他們了。而當量子計算公告使用「量子優勢」一詞時，某種程度的爭議 通常會隨之而來。

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