内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）
文丨浪味仙 排版丨浪味仙
行业动向：4200字丨16分钟阅读
摘要：加拿大专用量子计算机公司 D-Wave 在 Science 期刊发表了论文，题为《Beyond-Classical Computation in Quantum Simulation（超越经典计算的量子模拟），基于其 Advantage2 退火型专用量子计算机，明确证实了 D-Wave 在真实应用问题上首次实现量子计算优越性，成为全球首例且唯一成功案例。
研究表明，D-Wave 量子退火计算机在几分钟内完成了具有明确商业与科学应用价值的磁性材料模拟，而使用基于 GPU 集群构建的经典超级计算机解决同一问题，则需要近一百万年，并且耗电量将超过全球年度总电力消耗。
3 月 12 日，量子计算领域迎来一个全新突破。更准确的说，这是一个由老牌公司带来的重磅进展：D-Wave 在全球范围内首次、更是唯一一次证明了量子计算已经能在现实世界实用问题上的优越性，并已在 Science 期刊上成功发表论文。（后台回复“专用量子计算机展示量子优势”直接获取论文）
作为全球首家量子计算机商业供应商，D-Wave 与大多数公司试图构建能够处理几乎所有类型问题的通用量子计算机的目标不同，它选择了一种更为专用的计算形式，即量子退火（quantum annealing），该种专用计算机非常适合解决诸如“旅行商问题”的复杂优化问题以及某些形式的材料模拟。IDC 分析师希瑟·韦斯特（Heather West）表示：“这类问题非常广泛，几乎在所有行业和公司中都普遍存在。”
针对此次量子计算突破，D-Wave 首席执行官艾伦·巴拉茨（Alan Baratz）表示，D-Wave 已经触到了“量子计算的圣杯”。他补充道：“这是业界所有人一直追求的目标，而我们是第一个真正展示这一成果的公司。”
全新的计算问题
在一份官方公告中，D-Wave 表示，由其领导的国际科学家团队在田纳西州橡树岭国家实验室能源部的 Frontier 超级计算机和 D-Wave Advantage2 原型机上，对具有明确商业与科学应用的“磁性材料模拟问题”进行了测试。
Frontier 曾是全球最强大的超级计算机，该系统拥有 1.353 exaflops 的运算能力，但在最新一期 Top500 排行榜中已跌至第二名，被位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室、运算能力达 1.742 exaflops 的 El Capitan 超级计算机取代。
D-Wave 研发的硬件依赖量子效应进行计算，属于专用量子计算机，其量子比特在配置和初始化后，可自然演化至最低能量状态，该状态对应于某个优化问题的解。这种计算方法被称为量子退火（quantum annealing），最适用于解决涉及复杂调度优化的计算问题。
在执行磁性材料这一“最复杂的模拟”时，D-Wave 表示，其专用量子计算机仅需几分钟即可完成，而若用超级计算机实现相同水平的精度，则需要近一百万年的运行时间，且所需电力将超过全球一年的总消耗。
D-Wave 已在 Science 期刊发表了经过同行评审的论文，题为《Beyond-Classical Computation in Quantum Simulation（超越经典计算的量子模拟）》，详细阐述了此次测试的研究成果。（后台回复“专用量子计算机展示量子优势”直接获取论文）
值得一提的是，D-Wave 的此次研究，关注的并非此前超导通用量子计算机经常采用的“随机量子电路”问题，而是一个全新的计算问题。
D-Wave 首席执行官 Alan Baratz 博士表示：“这是量子计算历史性的一天。我们在一个具有实际价值的问题上实现了量子计算优越性，这是行业首次突破。此前所有关于量子计算机超越经典计算的声明要么存在争议，要么仅涉及毫无实际意义的随机数生成。”
“我们的成果毫无疑问地证明，D-Wave 的量子退火计算机现已能够解决世界上最强大超级计算机也无法处理的实际问题。我们欣喜地看到，D-Wave 的客户如今已经能够使用这项技术，并从量子退火计算机中获得切实可见的价值。”
You sing，Ising
D-Wave 最新论文展示了其硬件在计算伊辛（Ising）模型动态演化方面的优势。在该模型的一个简单版本中，系统由一个二维网格组成，每个单元可以处于两种可能的状态之一，单个单元的状态受到其相邻单元状态的影响。因此，伊辛模型很容易被置于一个不稳定状态，在此之后，系统中的单元状态会不断翻转，直到达到低能量的稳定状态。然而，作为一个量子系统，随机噪声有时也会导致比特翻转，使系统持续随时间演化。此外，网格结构可以拓展为更复杂的几何连接方式，从而展现更加复杂的行为。
早在 2023 年，D-Wave 就曾使用其 5,000 量子比特的退火计算机展示，在进行伊辛模型演化时，其计算结果最符合薛定谔方程（Schrödinger's equation），这一方程是描述量子系统行为的核心理论之一。
因此，伊辛模型的求解成为专用量子计算中的一大热点，NTT Research 团队和玻色量子团队也先后使用基于光量子的相干伊辛机完成了 10,000 量子比特和 550 量子比特的伊辛模型问题求解。在离子阱技术路线上，段路明院士团队也利用 300 量子比特实现了可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。在量子计算业界，掀起了一场“You sing，Ising“的研究大合唱。
随着量子系统变得越来越复杂，使用经典硬件求解薛定谔方程的难度也会急剧增加。这表明模拟 5,000 个量子比特的行为可能超出经典算法的计算极限。
然而，由于过去经典算法的优化曾多次挑战量子计算的领先地位，D-Wave 团队在这方面表现得格外谨慎，但最新研究结果最终证明，经典方法确实难以在合理时间内完成这一计算。（后台回复“专用量子计算机展示量子优势”直接获取论文）
测试不同模拟方法
本次研究团队主要来自 D-Wave，同时还包括来自全球 11 家顶尖物理研究机构的学者，他们专注于在经典硬件上模拟量子系统的三种不同方法，并将其与 D-Wave 的下一代 Advantage2 量子退火系统（对比当前 Advantage 系统，具有更高的量子比特互连性和更长的相干时间）进行对比。
研究的核心目标是在经典模拟器出现计算瓶颈的情况下（例如模拟时间过长或伊辛模型的几何复杂性过高）对其性能下降情况进行分析，同时验证 D-Wave 硬件能否完成相同的计算。
研究团队测试了三种经典计算方法，其中两种基于张量网络（tensor network）：一种称为矩阵积态（MPS, matrix product of states），另一种为投影纠缠对态（PEPS, projected entangled-pair states）。此外，他们还测试了一种神经网络方法，该方法曾被成功训练用于预测不同系统下薛定谔方程（Schrödinger's equation）的计算结果。
图：在Ising旋转玻璃中对淬火后状态进行采样
这些方法首先在一个 8×8 的二维网格上进行了测试，该网格被拓展为圆柱几何结构，增强了系统的连接性。
在这一简单系统中，量子硬件与经典方法在短时间演化内的计算结果几乎没有区别。
但随后，三种经典算法中的两种，很快出现颓势被排除：神经网络在短时模拟中表现良好，但在长时间演化过程中，该方法的计算结果迅速偏离物理真实解；PEPS 主要聚焦局部纠缠，当纠缠扩展到更大范围时，其模拟能力逐渐失效。
因此，在对更复杂的几何结构进行长时间模拟时，矩阵积态（MPS）成为唯一的经典算法代表。
通过识别矩阵积态（MPS）算法的失效点，研究人员能够估算出经典硬件需要多少计算资源才能在最复杂的系统上与 Advantage2 量子计算机保持同步。然而，短期内要实现这一计算需求几乎不可能。他们总结道：“在最大规模的问题上，MPS 需要在 Frontier 超级计算机上运行数百万年，才能达到 [量子硬件] 的计算质量。其内存需求将超过 700PB 的存储容量，而电力消耗将超过全球年度用电量。”相比之下，D-Wave 的硬件仅需几分钟即可完成计算。（后台回复“专用量子计算机展示量子优势”直接获取论文）
当然，研究人员在论文中同样承认，与往常类似，这可能会引发又一轮经典算法的优化以使其重新具备竞争力。事实上，这一情况已经开始出现。在 D-Wave 这篇论文的预印本被上传至 arXiv 之后，经典算法的改进工作便迅速展开：D-Wave 科学家 Andrew King 在新闻发布会上指出，arXiv 上已发布两篇关于经典算法优化的预印本论文。
尽管这些优化使经典模拟在某些情况下能够再现新论文中的部分计算结果，但它们仍未涉及最复杂的几何结构，并且计算时间较短，所需的总量子比特数也更少。D-Wave 科学家 Andrew King 透露，D-Wave 最近刚刚完成了一块新的 Advantage2 测试芯片的校准，该芯片包含超过 4,000 个量子比特，他已在其上测试了更大规模的伊辛模型计算，这些计算任务的复杂性将使经典算法难以企及。
无论如何，D-Wave 目前的态度表现得相当坚定。在介绍新研究成果的新闻发布会上，与会人员频繁提及 D-Wave 已实现“量子霸权”（quantum supremacy）。对于因两篇经典算法改进论文而引发的质疑，D-Wave 首席执行官 Alan Baratz 回应道：“我们的研究应被视为一个重要的里程碑，并值得庆祝。”（后台回复“专用量子计算机展示量子优势”直接获取论文）
2024 年，多位院士研判称：专用量子计算发展迅速，已逐步开始走向实用化，而通用量子计算的实现尚需 10 年以上的时间。例如，郭光灿院士提到：“2020-2030 年代是专用量子计算机时代，这一阶段意味着量子计算机已经开始走出实验室开启应用探索。...要到 2030-2040 年代才能进入通用量子计算机时代。🔗”薛其坤院士表示：“量子计算机的研发目前仍需攻克错误率、相干时间、制冷剂、硬件方案不确定性难关，估计至少需要 10-20 年时间才能研制出实用的通用量子计算机。🔗”潘建伟院士也认为：“要真正实现通用容错量子计算机，至少还需要 10 余年甚至 20 年时间。当前的主要研究任务是研制专用量子计算模拟机，用于解决量子化学、高温超导机理等重要学科问题。”
面对此次突破，D-Wave首席科学家Mohammad Amin博士表示：“这是一个重要的里程碑，它得益于 D-Wave 超过 25 年的研究和硬件开发，更有与全球 11 家顶尖物理研究机构两年的合作，以及在世界最快的超级计算机和合作机构的计算集群的协力，我们进行了超过 10 万小时的 GPU 和 CPU 模拟。此项研究，不仅是为了实现理查德·费曼（Richard Feynman）‘在量子计算机上模拟自然’这一愿景，还可能为科学发现和量子应用开发开辟新的领域。”
Reference：
1、https://www.dwavequantum.com/company/newsroom/press-release/beyond-classical-d-wave-first-to-demonstrate-quantum-supremacy-on-useful-real-world-problem/
2、https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6285
3、https://www.hpcwire.com/2025/03/13/d-wave-reports-quantum-supremacy-stirs-immediate-challenge-and-rebuttal/
4、https://arstechnica.com/science/2025/03/d-wave-quantum-annealers-solve-problems-classical-algorithms-struggle-with/
5、https://www.ft.com/content/984205be-ab3a-4bd1-8a8d-9b00bf8ad8b0
