跃入逻辑量子比特时代？经典算法逆袭，IBM-IonQ重塑“量子优势”！

光子盒研究院

IBM量子与IonQ的研究团队携手揭露了由哈佛大学和QuEra公司研究团队进行的一项卓越纠错研究中的另一种经典模拟算法，后者的研究最近发表于《自然》杂志。

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2402.03211

追求量子优势的目标是确认并展示量子设备在某些计算任务上相对于经典系统的明显优势。而现在，量子硬件的快速发展与经典模拟的持续改进之间的动态互动，使得量子优势的追求变得复杂。

2023年12月，哈佛大学的Bluvstein等人的研究通过在48逻辑量子比特系统上展示瞬时量子多项式时间（Instantaneous Quantum Polynomial-Time，IQP）计算，标志着实现量子优势的一大步，凸显了这场持续的探讨。

此次，IBM与IonQ的研究为量子努力引入了经典的对照。这不仅挑战了哈佛大学的研究，还展示了经典计算适应和响应量子进步的能力。通过以如此惊人的速度和效率成功模拟量子任务，该算法显示量子优势的界限仍是可变的，易受到经典计算策略的影响。

简而言之，这项工作对当前量子优势基准提出了质疑。

经典模拟的优势超越了48量子比特的基准测试。研究团队报告称，他们已经能够高效模拟多达96量子比特系统的IQP计算，平均计算时间约为4.16629秒，这一成就令人印象深刻。

此次试验中的HQ4电路示意图。每个由三个量子比特组成的块编号为1...16，CNOT逻辑门的颜色与右图所示布尔四维立方体中边缘的颜色一致。箭头指向各自CNOT门的目标方向，对角运算符按标有“Z”的阶段应用；未显示的是两层哈达玛门：一层位于计算的开始，另一层位于计算的结束

先前试验与此次模拟（蓝色）之间的模拟运行时间与附加层数的比较

在谷歌云c2d-highcpu-112实例上确定随机输出字符串振幅的平均运行时间性能

他们的预测显示，使用经典张量处理单元（TPU）可以模拟达192量子比特的系统，这种规模的系统曾被认为是量子优势的坚固堡垒。这一发现突显了经典模拟技术的巨大进步以及它们在某些计算任务上能与量子系统匹敌或甚至超越的潜力。

根据这项研究，IQP电路与其他量子计算模型一同，在探索量子与经典计算能力的前沿发挥着关键角色。

研究人员认为，尽管IQP电路理论上具有优势，但其相对简单的特性使其更易受到高效经典模拟策略的影响。

这种算法的适应性表明，实现量子优势可能不仅需要增加量子比特数，还需要提高量子电路的复杂性和容错能力。

事实上，哈佛团队早已承认，尽管取得了进展，但仍有大量工作要做，并预见像IBM-IonQ这样的研究将对他们的发现提出挑战，并为新技术和创新指明方向。

——他们的下一步是探索更好的方法来维护量子计算过程的完整性。

IBM量子与IonQ的研究团队还报告了可能增加经典模拟难度的量子电路潜在修改。他们的发现表明，简单的调整，如增加或删除某些门，对经典模拟的复杂性影响微乎其微。

这种对经典模拟针对量子电路修改的可扩展性和适应性的洞见，为我们提供了对实现量子优势面临的挑战的深刻理解。

因此，走向量子优势的更有希望的道路在于发展全面的逻辑库和实现全面容错的量子系统。

这些进展将显著提高计算复杂性，使其超越经典模拟，实现真正的量子飞跃。

随着量子优势竞赛的持续进行，这项研究提醒人们关注经典计算的弹性和潜力，促使量子计算界重新考虑量子优势的衡量标准和里程碑：这对整个行业都是有益的。

参考链接：

[1]‍‍‍‍‍https://synthical.com/article/85c534d4-e7b1-4655-8821-8f8b83667694

[2]https://thequantuminsider.com/2024/02/06/ibm-and-ionq-researchers-design-classical-algorithm-to-tackle-recent-harvard-led-studys-computational-task/

[3]https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=66322