本月早些時候，量子計算公司 D-Wave 表示它可以解決經(jīng)典計算機能力之外的問題，從而引發(fā)了爭議。這一說法很快受到了質(zhì)疑，但專家表示，盡管引起了憤怒，但結(jié)果表明其技術(shù)的能力不斷增強。

“量子霸權(quán)”是指量子計算機可以解決經(jīng)典計算機基本上不可能解決的問題，已成為量子計算行業(yè)的指路明燈。谷歌、初創(chuàng)公司 Xanadu 和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員都聲稱已經(jīng)跨越了這一里程碑。但它們因使用嚴(yán)重偏向量子硬件的測試而受到批評，因為它們本質(zhì)上是讓這些處理器產(chǎn)生隨機輸出，然后挑戰(zhàn)經(jīng)典計算機來模擬它。

總部位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的 D-Wave 現(xiàn)在是最新一家聲稱擁有量子霸權(quán)的公司，其結(jié)果于 3 月 12 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。但這次的實驗涉及量子模擬，該公司表示，這些模擬對科學(xué)研究和材料發(fā)現(xiàn)都有潛在價值。D-Wave 的說法遭到了專門在經(jīng)典硬件上模擬量子系統(tǒng)的專家的反對，但該公司堅持自己的立場。

“我們聲稱這臺機器可以模擬一些經(jīng)典無法解決的問題，并回答一些經(jīng)典永遠無法回答的科學(xué)問題，”D-Wave 的首席科學(xué)家 Mohammad Amin 說?！拔艺J(rèn)為，這種說法將永遠存在?！?/p>

雖然 Google、IBM 和 IonQ 等公司正在構(gòu)建原則上可以運行任何量子算法的“通用量子計算機”，但 D-Wave 的機器依賴于一種稱為量子退火的過程。這種方法只能處理某些類型的任務(wù)，最突出的是優(yōu)化問題。它涉及將問題的參數(shù)仔細編程到機器的量子比特中，然后讓它們隨著時間的推移而發(fā)展以找到解決方案。

在其最新的實驗中，D-Wave 的研究人員使用了其新型 Advantage2 處理器的原型，該處理器具有大約 1,200 個超導(dǎo)量子比特，以模擬具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸的磁性材料在不同時間尺度上的量子動力學(xué)。然后，他們與外部研究人員合作，這些研究人員試圖使用領(lǐng)先的經(jīng)典技術(shù)來復(fù)制結(jié)果。在《科學(xué)》雜志的論文中，作者聲稱，在橡樹嶺國家實驗室的 Frontier 超級計算機上，將 D-Wave 的結(jié)果與最大問題相匹配將采用最好的經(jīng)典方法，稱為矩陣積態(tài) （MPS），長達數(shù)百萬年。

D-Wave 與傳統(tǒng)計算的爭論

D-Wave 的量子霸權(quán)主張很快就受到了挑戰(zhàn)。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員證明，他們可以使用四個圖形處理單元在短短幾天內(nèi)完成 D-Wave 估計表明在 Frontier 上需要 150 多年的計算。來自紐約市 Flatiron Institute 的另一組團隊表明，將 MPS 與另一種算法技術(shù)相結(jié)合，使他們能夠在短短幾個小時內(nèi)在單個 CPU 上仿真一些較小的模型。他們還表明，該方法可以很容易地擴展到更大的問題。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)副教授、《科學(xué)》論文的合著者 Juan Carrasquilla 說，這兩項研究都推動了經(jīng)典技術(shù)的最新發(fā)展，他進行了 D-Wave 基準(zhǔn)的 MPS 計算。但他說，這兩項研究都沒有推翻該論文的核心主張，因為這兩個小組都只解決了該公司模擬的問題的一個子集，而且時間尺度更短。雖然這些方法在紙面上看起來可擴展，但在實踐中可能比看起來更具挑戰(zhàn)性。

“這縮小了索賠的范圍，但如果你想完全推翻它，你應(yīng)該能夠模擬 D-Wave 在論文中提出的系統(tǒng)，”Carrasquilla 說。

熨斗研究所（Flatiron Institute）的研究科學(xué)家邁爾斯·斯圖登邁爾（Miles Stoudenmire）說，他的團隊沒有看到將他們的方法擴展到更大問題的科學(xué)價值，但他們現(xiàn)在計劃這樣做來證明這一點。不過，更廣泛地說，他對 D-Wave 的霸權(quán)主張?zhí)岢隽水愖h，因為它忽視了經(jīng)典方法進一步發(fā)展的可能性。

“核心問題是，他們的說法不僅不是真的，而且在某種意義上也不可能是真的，因為這是關(guān)于未來的聲明，”他說?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)這種語言非常令人反感，坦率地說，這是不科學(xué)的?！?/p>

無論是否最高，結(jié)果都可能有用

關(guān)于 D-Wave 的機器是否能超越可以想象的最快計算機的爭議也掩蓋了一個更相關(guān)的事實——它比當(dāng)今最好的經(jīng)典技術(shù)要快得多。雖然還有其他權(quán)衡需要考慮，例如成本和系統(tǒng)的不靈活性，但 Stoudenmire 表示，使用他的方法需要數(shù)小時才能解決的問題，而 D-Wave 的機器可以在幾分之一秒內(nèi)解決。

巴黎綜合理工學(xué)院 （école Polytechnique） 的人工智能和凝聚態(tài)物理學(xué)教授 Filippo Vicentini 表示，即使 D-Wave 的機器無法展示至高無上的地位，它仍然可能具有實際優(yōu)勢。“如果你有一個可以在幾分鐘內(nèi)完成工作的量子處理器，你就不會想讓 GPU 運行數(shù)百或數(shù)千個小時，”他說。

然而，Vicentini 說，雖然可能有一些科學(xué)問題可以通過模擬《科學(xué)》論文中介紹的量子動力學(xué)來回答，但沒有明顯的商業(yè)應(yīng)用。在 2023 年《自然》雜志的一篇論文中，D-Wave 表明，一些優(yōu)化問題可以映射到這種類型的量子模擬上，并且它的機器可以比經(jīng)典計算機更快地完成這些模擬。但 Vicentini 指出，有大量強大的經(jīng)典優(yōu)化算法可以直接解決這些問題，而無需先將它們轉(zhuǎn)換為量子模擬。

Carrasquilla 對此表示贊同，并指出媒體報道表明該結(jié)果可能具有實際應(yīng)用具有誤導(dǎo)性?！爱?dāng)人們說我們現(xiàn)在可以模擬材料時，這指的是材料的一個非常非常小的角落，絕對不是分子，不是藥物發(fā)現(xiàn)，不是材料發(fā)現(xiàn)，”他說?！皩τ诮y(tǒng)計力學(xué)和量子多體物理學(xué)來說，這非常有趣，但對于商業(yè)相關(guān)的問題，我認(rèn)為這還很遙遠?！?/p>

洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的科學(xué)家卡爾頓·科夫林（Carleton Coffrin）則更為樂觀。他領(lǐng)導(dǎo)了一個項目，使用 D-Wave 的計算機來模擬“量子磁體”，有朝一日，量子磁體可能會成為量子計算機的超精密傳感器或存儲設(shè)備的基礎(chǔ)。事實證明，在短短幾分鐘內(nèi)即可在超級計算機上運行需要數(shù)天時間的實驗的能力特別強大。“這使得凝聚態(tài)理論專家能夠幾乎實時地與硬件進行交互，”Coffrin 說?！斑@只會大大加快您獲得的見解類型?！?/p>

自 2017 年以來，該小組還一直在測試 D-Wave 的量子計算機優(yōu)化問題。Coffrin 說，《科學(xué)》雜志上報道的量子模擬沒有直接應(yīng)用于這類問題，但每次 D-Wave 升級其底層量子比特技術(shù)時，他的團隊都看到了性能的顯著提升。2022 年，他們報告說，在某些優(yōu)化問題上，具有大約 5500 個量子比特的老一代 D-Wave 計算機的速度是最好的經(jīng)典算法的 15 倍。

這種差距可能可以通過共同努力開發(fā)新的經(jīng)典算法來縮小。但是，如果該公司能夠?qū)⒘孔颖忍財?shù)量翻倍到 10,000 個，Coffrin 懷疑經(jīng)典方法將越來越難以跟上?！霸谶@種規(guī)模下，在其他條件相同的情況下，古典比賽還有很長的路要走，”他說?！澳菚芾щy?！?/p>

D-Wave 聲稱，其量子計算機通過解決經(jīng)典計算機無法解決的問題實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”——至少在現(xiàn)實的時間范圍內(nèi)是這樣。