某些计算任务极其复杂，唯有超级计算机方能胜任。然而，一台可商业访问的量子计算机刚刚完成了一项壮举，显示出这项新技术未来可能让传统超算望尘莫及。
仅用19秒，IBM的Nighthawk r2处理器便生成了100万个样本。据估算，若由超级计算机完成同一任务，耗时约需110年。该实验结果已作为预印本发布于arXiv。
首次在商用处理器上展示量子优势
美国BlueQubit公司理论凝聚态物理学家、论文第一作者Tigran Sedrakyan及其同事指出：“据我们所知，这是首次在面向大众且广泛可用的量子处理器上，针对基础随机电路采样（vanilla random-circuit sampling）展示量子优势。”这种处理器使得大多数非专家级用户也能轻松复现实验结果。
量子优势的争夺本质上是超级计算机与量子计算机之间的军备竞赛，始于2018年。其核心主张在于：必然存在某种量子计算任务，对经典计算机而言极其困难甚至不可能完成。
2018年，加州大学伯克利分校研究人员提供理论证据，指出随机电路采样（RCS）是主要候选任务。RCS通过在量子比特上执行一系列随机操作，创造日益复杂的量子状态，并反复测量产生由0和1组成的“样本”。随着量子比特数量和操作增加，在经典计算机上重现相同结果的概率分布计算变得极度艰巨。
2019年，谷歌曾宣布其53量子比特Sycamore处理器执行了一项超出经典超算实际能力范围的RCS实验。此后，经典计算机研究人员不断寻找新方法重现结果，量子研究人员则持续推动系统性能极限。
无需特殊校准的“云端”突破
此次新结果有所不同。Sedrakyan团队并未使用专用的实验性量子处理器，而是在通过IBM云平台向用户开放的商业化超导量子处理器Nighthawk r2上运行实验。该处理器拥有120个量子比特。
研究团队选取其中61个量子比特，施加复杂度逐渐增加的随机电路，最多达到40个周期。重要的是，实验通过平台标准云工作流完成，未进行任何特殊校准。
在36个周期的“黄金区域”——涉及918个双量子比特门时，Nighthawk r2仅在19秒内就生成了100万个样本。
更具挑战的是评估该任务对经典计算机的难度。由于顶级超算资源稀缺且任务繁重，科学家无法直接运行程序观测结果。为此，团队采用张量网络收缩技术，估算在经典计算机上模拟该量子电路的计算成本。
计算显示，重现这100万个样本需要约1.2 × 10²⁷次计算操作。以截至2024年最快的超级计算机Frontier为例，其峰值性能超过每秒1 × 10¹⁸次操作。基于其持续性能的保守估计，Nighthawk r2的这一壮举相当于约110年的计算时间。
需注意，110年并非经典计算机的根本速度极限，而是基于特定方法的估算值。经典算法优化可能会大幅减少所需工作量。Sedrakyan团队承认这种可能性，但强调根据这一基准，量子处理器已大幅领先。
这场竞赛并非出于优越感，而是一种友好竞争，旨在推动双方找到更好的计算方法。此次突破的意义在于，量子优势是在可商业访问的硬件而非定制实验室设备上实现的。研究人员使用了云端公开可用的QPU和标准执行堆栈，并发布了电路、样本和分析代码，供他人验证。
尽管这些发现尚未经过同行评审，但预印本已在arXiv公开。挑战书已发出，等待业界回应。
【星途科讯 图文丨赵晶 首发于ZAKER科技，转载请注明出处】