在數學上已經證明，對於許多算法而言，量子電腦能夠生成經典電腦需要耗費大量時間才能得出的結果。然而，當今的量子電腦要麼無法運行這些算法，要麼只能運行經典電腦同樣可以處理的簡化版本。這讓該領域面臨一個棘手的問題：我們能否在當今嘈雜、受限的硬體上展示量子電腦的潛力？
這個問題比表面看起來更為複雜。如果生成的結果超出了當今普通電腦的處理能力，就可能無法驗證結果是否正確。而鑑於當今量子電腦存在一定的錯誤率，得出錯誤結果的可能性確實存在。此外，在缺乏量子硬體能力數學證明的情況下，更優秀的經典算法有可能超越量子硬體的表現。
這些問題促使IBM推出了量子優勢追蹤器。近日，該公司宣布了三項新成果，聲稱這些成果清晰展示了量子優勢，每項成果都採用了不同的方法來克服錯誤並驗證量子計算結果。IBM的Jay Gambetta表示："當你能進行經典模擬時，可信計算並不重要；但當你無法進行經典模擬時，可信計算就意義重大了。"
這些結果目前尚無直接的實用價值，但暗示我們或許正朝著正確的方向前進。
目前已有許多關於量子優勢的聲明，其中至少有一項具有實用潛力。但在多個備受關注的案例中，算法開發者通過優化算法大幅縮小了量子優勢，使經典電腦重新追平。另一個問題是驗證。如果量子電腦通過反覆運行單組操作的變體來生成統計模式，系統性錯誤可能會使輸出產生偏差，而經典電腦又無法對此進行核驗。
通常的處理方式是使用更少的量子比特進行簡化計算，並在經典硬體上驗證結果。如果驗證通過，則假定該算法在使用更多量子比特時仍能正常運行。但這並非唯一的選擇。某些算法可能產生難以計算但易於驗證的結果——例如，對兩個大質數之積進行因式分解。
遺憾的是，目前尚無已知的適合在現有硬體上運行的此類計算。因此，電腦科學家不得不另闢蹊徑。而這正是此次發布的核心所在：三種創造性的方法，用於應對當今處理器容易出錯的現實。
其中一項新成果是IBM、日本理化學研究所（RIKEN）與量子錯誤緩解軟體公司Qedma的合作研究。該研究聚焦於Floquet過程的建模——在這一過程中，系統在受到逐漸改變其行為的外力作用下發生振盪，類似於因摩擦而逐漸減速的鐘擺。
這類過程同樣可以在量子系統中出現。Qedma團隊對伊辛模型進行了建模——可以將其想像為一個假想的二維磁鐵網格，每個磁鐵的朝向都會影響其相鄰磁鐵。初始設置完成後，各磁鐵的朝向會逐漸發生周期性翻轉，以尋找相鄰磁鐵朝向相反的低能量構型。隨著磁鐵數量的增加，對翻轉過程中系統中間狀態的建模複雜度也隨之上升。
為此，Qedma選擇了一個規模不超出現有量子硬體承載能力的建模對象，並與RIKEN合作，在富岳超級電腦上運行了兩種不同的經典算法——該電腦曾是五年前全球最強大的電腦。經典算法的結果明顯存在問題：兩種算法隨時間推移產生了分歧（一種顯示淨磁性平滑下降，另一種則顯示磁性上升）。
而在搭載Qedma錯誤緩解軟體的IBM量子處理器上運行時，算法呈現出截然不同的結果：磁性逐漸下降，並伴有周期性振盪。其中一種經典算法捕捉到了振盪，但顯示磁性在上升；另一種則顯示磁性下降速度更快，且沒有振盪現象。
為證明這並非IBM硬體某種一致性錯誤所致，研究團隊藉助Quantinuum處理器進行了驗證，確認了其輸出結果。他們還發現了至少一種量子算法中存在的問題：為提升性能，該算法截斷了產生振盪行為所需的部分項。
另一項新成果來自IBM與芝加哥大學研究人員的合作。其原理與上述算法之一類似：通過多次運行算法的變體，獲取一組結果樣本，從而了解不同輸出的統計規律。由於算法在量子電腦上運行，不同結果之間可能相互干涉，使得在經典硬體上進行模擬頗具挑戰。雖然可以在經典機器上運行幾次，但次數不足以獲得可靠的輸出統計數據。
在這項研究中，團隊進行了兩項關鍵改進。首先，算法主要執行所謂的Clifford門操作，這類操作在經典硬體上相對容易模擬。但研究人員在其中穿插了少量特定類型的非Clifford門（具體為T門），部分原因在於這類門操作不易出錯。論文指出："Z旋轉（包括T門）在我們的硬體中具有特殊性：它們通過虛擬幀跟蹤實現，不會引入額外噪聲。"
T門的引入還有助於確保該算法在經典電腦上極難模擬。Gambetta表示："由於引入了T門，其複雜性論證更為有力——可以證明，對於經典電腦而言，平均而言對其進行採樣在指數級別上是困難的。"這將使經典算法極難追趕上來。
此外，研究團隊在算法所用量子比特的外圍額外連接了若干量子比特，通過在運算過程中進行輕柔測量來檢測是否發生錯誤；一旦檢測到錯誤，相應結果即被丟棄。（需要注意的是，這也會丟棄因這些額外量子比特讀取錯誤而被誤標記的有效結果。）
最終，該算法"將難採樣問題的廣泛輸出統計特性與可用於錯誤檢測和保真度認證的電路結構相結合"。
第三項新成果來自量子軟體開發商Algorithmiq，其採用的算法與谷歌"量子回聲"研究中的算法類似。一組門操作首先對量子系統進行變換，隨後對該過程進行逆向操作。逆向過程中執行的額外操作使系統無法完全恢復到初始狀態——噪聲由此產生了正向過程的不完美"回聲"。與前述研究之一類似，在經典硬體上模擬這一過程需要進行簡化，而不同的簡化方法會產生不同的結果。因此，這一問題本質上超出了經典硬體的處理能力。
該成果的研究人員著手消除系統中的所有噪聲。他們首先選取量子處理器中噪聲最低的特定區域，並利用相鄰量子比特判斷計算過程中是否有量子比特被不當改變，以此識別異常情況。他們還對發送至量子比特的控制信號進行了優化，並採用了其他多種噪聲抑制技術。
隨後，他們有意引入噪聲，分析其對結果的影響，並在無噪聲情況下對噪聲量進行估算。他們還在另一台IBM處理器上重複了整個實驗流程——該處理器應呈現出不同的噪聲模式。通過上述方法，他們得以為計算結果設定誤差率：結果中可能仍殘留少量噪聲，但可以確定其低於某個可計算的上限值。
對於上述研究成果，可以從不同角度加以解讀。從悲觀的角度來看，這些算法目前確實沒有任何實際用途。即便是那些對量子系統行為進行建模的算法，所使用的也是極度簡化的模型，與任何真實世界的系統相去甚遠。此外值得注意的是，過去一些量子優勢的聲明並未經受住考驗——隨著研究人員改進經典算法，量子優勢被追平，這種情況在此也可能再次發生。
最後，這類算法——直接在存在噪聲問題的硬體量子比特上執行計算——將在未來幾年隨著可用的糾錯量子比特數量逐步增加而逐漸退出歷史舞台。事實上，已有多家公司表示，在實現這一目標之前，將暫不提供任何可公開訪問的硬體。
從樂觀的角度來看，硬體已經存在，電腦科學家自然有興趣探索其極限、儘可能地挖掘系統潛力。儘管這些算法本身沒有實用價值，但在研究過程中發展出的技術——包括噪聲最小化、噪聲特性分析以及識別加劇噪聲的操作——對於提升具備糾錯能力的硬體性能仍具有參考價值。而如果我們不為噪聲機器開發算法，就不可能發現其中是否存在有實用價值的算法。
儘管如此，將這些成果視為自然演進過程的一部分或許最為恰當。量子優勢聲明的第一波浪潮，源於研究人員對擁有足夠量子比特、能夠完成經典電腦難以處理的任務的硬體感到興奮。而這些新成果屬於另一波浪潮——人們開始努力嚴格確保結果的高質量。下一步，則是在這些新成果的基礎上，探索具有現實意義的算法。
Gambetta總結道："目前存在兩種極端情況：此前的一些成果只是將真實材料與量子電腦進行比較，但所處的區間內經典方法仍然有效；而現在，我們有了經典方法失效區間內的玩具模型，但我可以保證量子計算的結果是可信的。"
邁出下一步，是整個領域最為期待的事情。Gambetta表示："終極目標是將真實材料或真實實驗與量子電腦進行比較。"
三篇arXiv論文的鏈接可在IBM關於上述成果的部落格文章中找到，這些成果及其他超越經典系統的嘗試均收錄於IBM的量子優勢追蹤器網站。
Q&A
Q1：IBM量子優勢追蹤器是什麼？它有什麼作用？
A：IBM量子優勢追蹤器是IBM推出的一個平台，用於記錄和展示量子電腦在特定任務上超越經典電腦的成果。它收錄了經過嚴格驗證的量子優勢案例，幫助研究人員和公眾了解量子計算的實際進展，並追蹤該領域從噪聲硬體到糾錯量子比特的演進歷程。
Q2：Qedma的錯誤緩解軟體在量子計算中起到什麼作用？
A：Qedma開發的軟體專門用於緩解當前量子處理器中的錯誤。在IBM與RIKEN的合作研究中，該軟體幫助量子處理器在模擬伊辛模型時得出了更準確的結果——呈現出磁性逐漸下降並伴有周期性振盪的正確行為，而未使用該軟體的經典算法則產生了相互矛盾的錯誤結果。
Q3：當前量子計算研究的主要挑戰是什麼？
A：當前量子計算面臨三大主要挑戰：一是硬體噪聲導致計算結果不可靠；二是結果驗證困難，當量子計算超出經典電腦能力範圍時，無法用經典方法核驗結果是否正確；三是實用算法缺失，目前展示量子優勢的算法大多基於高度簡化的模型，尚未找到能解決真實世界問題的量子算法。
