?內容來源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨浪味仙??排版丨浪味仙

行業動向：4200字丨16分鐘閱讀

摘要：加拿大專用量子計算機公司 D-Wave 在 Science 期刊發表了論文，題為《Beyond-Classical Computation in Quantum Simulation（超越經典計算的量子模擬），基于其?Advantage2 退火型專用量子計算機，明確證實了 D-Wave 在真實應用問題上首次實現量子計算優越性，成為全球首例且唯一成功案例。

研究表明，D-Wave 量子退火計算機在幾分鐘內完成了具有明確商業與科學應用價值的磁性材料模擬，而使用基于 GPU 集群構建的經典超級計算機解決同一問題，則需要近一百萬年，并且耗電量將超過全球年度總電力消耗。

3 月 12 日，量子計算領域迎來一個全新突破。更準確的說，這是一個由老牌公司帶來的重磅進展：D-Wave 在全球范圍內首次、更是唯一一次證明了量子計算已經能在現實世界實用問題上的優越性，并已在 Science 期刊上成功發表論文。（后臺回復“專用量子計算機展示量子優勢”直接獲取論文）

作為全球首家量子計算機商業供應商，D-Wave 與大多數公司試圖構建能夠處理幾乎所有類型問題的通用量子計算機的目標不同，它選擇了一種更為專用的計算形式，即量子退火（quantum annealing），該種專用計算機非常適合解決諸如“旅行商問題”的復雜優化問題以及某些形式的材料模擬。IDC 分析師希瑟·韋斯特（Heather West）表示：“這類問題非常廣泛，幾乎在所有行業和公司中都普遍存在。”

針對此次量子計算突破，D-Wave 首席執行官艾倫·巴拉茨（Alan Baratz）表示，D-Wave 已經觸到了“量子計算的圣杯”。他補充道：“這是業界所有人一直追求的目標，而我們是第一個真正展示這一成果的公司。”

全新的計算問題

在一份官方公告中，D-Wave 表示，由其領導的國際科學家團隊在田納西州橡樹嶺國家實驗室能源部的 Frontier 超級計算機和 D-Wave Advantage2 原型機上，對具有明確商業與科學應用的“磁性材料模擬問題”進行了測試。

Frontier 曾是全球最強大的超級計算機，該系統擁有 1.353 exaflops 的運算能力，但在最新一期 Top500 排行榜中已跌至第二名，被位于加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、運算能力達 1.742 exaflops 的?El Capitan?超級計算機取代。

D-Wave 研發的硬件依賴量子效應進行計算，屬于專用量子計算機，其量子比特在配置和初始化后，可自然演化至最低能量狀態，該狀態對應于某個優化問題的解。這種計算方法被稱為量子退火（quantum annealing），最適用于解決涉及復雜調度優化的計算問題。

在執行磁性材料這一“最復雜的模擬”時，D-Wave 表示，其專用量子計算機僅需幾分鐘即可完成，而若用超級計算機實現相同水平的精度，則需要近一百萬年的運行時間，且所需電力將超過全球一年的總消耗。

D-Wave 已在 Science 期刊發表了經過同行評審的論文，題為《Beyond-Classical Computation in Quantum Simulation（超越經典計算的量子模擬）》，詳細闡述了此次測試的研究成果。（后臺回復“專用量子計算機展示量子優勢”直接獲取論文）

值得一提的是，D-Wave 的此次研究，關注的并非此前超導通用量子計算機經常采用的“隨機量子電路”問題，而是一個全新的計算問題。

D-Wave 首席執行官 Alan Baratz 博士表示：“這是量子計算歷史性的一天。我們在一個具有實際價值的問題上實現了量子計算優越性，這是行業首次突破。此前所有關于量子計算機超越經典計算的聲明要么存在爭議，要么僅涉及毫無實際意義的隨機數生成。”

“我們的成果毫無疑問地證明，D-Wave 的量子退火計算機現已能夠解決世界上最強大超級計算機也無法處理的實際問題。我們欣喜地看到，D-Wave 的客戶如今已經能夠使用這項技術，并從量子退火計算機中獲得切實可見的價值。”

You sing，Ising

D-Wave 最新論文展示了其硬件在計算伊辛（Ising）模型動態演化方面的優勢。在該模型的一個簡單版本中，系統由一個二維網格組成，每個單元可以處于兩種可能的狀態之一，單個單元的狀態受到其相鄰單元狀態的影響。因此，伊辛模型很容易被置于一個不穩定狀態，在此之后，系統中的單元狀態會不斷翻轉，直到達到低能量的穩定狀態。然而，作為一個量子系統，隨機噪聲有時也會導致比特翻轉，使系統持續隨時間演化。此外，網格結構可以拓展為更復雜的幾何連接方式，從而展現更加復雜的行為。

早在 2023 年，D-Wave 就曾使用其 5,000 量子比特的退火計算機展示，在進行伊辛模型演化時，其計算結果最符合薛定諤方程（Schr?dinger's equation），這一方程是描述量子系統行為的核心理論之一。

因此，伊辛模型的求解成為專用量子計算中的一大熱點，NTT Research 團隊和玻色量子團隊也先后使用基于光量子的相干伊辛機完成了?10,000 量子比特和 550 量子比特的伊辛模型問題求解。在離子阱技術路線上，段路明院士團隊也利用 300 量子比特實現了可調耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計算。在量子計算業界，掀起了一場“You sing，Ising“的研究大合唱。

隨著量子系統變得越來越復雜，使用經典硬件求解薛定諤方程的難度也會急劇增加。這表明模擬 5,000 個量子比特的行為可能超出經典算法的計算極限。

然而，由于過去經典算法的優化曾多次挑戰量子計算的領先地位，D-Wave 團隊在這方面表現得格外謹慎，但最新研究結果最終證明，經典方法確實難以在合理時間內完成這一計算。（后臺回復“專用量子計算機展示量子優勢”直接獲取論文）

測試不同模擬方法

本次研究團隊主要來自 D-Wave，同時還包括來自全球 11 家頂尖物理研究機構的學者，他們專注于在經典硬件上模擬量子系統的三種不同方法，并將其與 D-Wave 的下一代 Advantage2 量子退火系統（對比當前 Advantage 系統，具有更高的量子比特互連性和更長的相干時間）進行對比。

研究的核心目標是在經典模擬器出現計算瓶頸的情況下（例如模擬時間過長或伊辛模型的幾何復雜性過高）對其性能下降情況進行分析，同時驗證 D-Wave 硬件能否完成相同的計算。

研究團隊測試了三種經典計算方法，其中兩種基于張量網絡（tensor network）：一種稱為矩陣積態（MPS, matrix product of states），另一種為投影糾纏對態（PEPS, projected entangled-pair states）。此外，他們還測試了一種神經網絡方法，該方法曾被成功訓練用于預測不同系統下薛定諤方程（Schr?dinger's equation）的計算結果。

?圖：在Ising旋轉玻璃中對淬火后狀態進行采樣

這些方法首先在一個 8×8 的二維網格上進行了測試，該網格被拓展為圓柱幾何結構，增強了系統的連接性。

在這一簡單系統中，量子硬件與經典方法在短時間演化內的計算結果幾乎沒有區別。

但隨后，三種經典算法中的兩種，很快出現頹勢被排除：神經網絡在短時模擬中表現良好，但在長時間演化過程中，該方法的計算結果迅速偏離物理真實解；PEPS 主要聚焦局部糾纏，當糾纏擴展到更大范圍時，其模擬能力逐漸失效。

因此，在對更復雜的幾何結構進行長時間模擬時，矩陣積態（MPS）成為唯一的經典算法代表。

通過識別矩陣積態（MPS）算法的失效點，研究人員能夠估算出經典硬件需要多少計算資源才能在最復雜的系統上與 Advantage2 量子計算機保持同步。然而，短期內要實現這一計算需求幾乎不可能。他們總結道：“在最大規模的問題上，MPS 需要在 Frontier 超級計算機上運行數百萬年，才能達到 [量子硬件] 的計算質量。其內存需求將超過 700PB 的存儲容量，而電力消耗將超過全球年度用電量。”相比之下，D-Wave 的硬件僅需幾分鐘即可完成計算。（后臺回復“專用量子計算機展示量子優勢”直接獲取論文）

當然，研究人員在論文中同樣承認，與往常類似，這可能會引發又一輪經典算法的優化以使其重新具備競爭力。事實上，這一情況已經開始出現。在?D-Wave 這篇論文的預印本被上傳至 arXiv 之后，經典算法的改進工作便迅速展開：D-Wave 科學家?Andrew King?在新聞發布會上指出，arXiv 上已發布兩篇關于經典算法優化的預印本論文。

盡管這些優化使經典模擬在某些情況下能夠再現新論文中的部分計算結果，但它們仍未涉及最復雜的幾何結構，并且計算時間較短，所需的總量子比特數也更少。D-Wave 科學家 Andrew King 透露，D-Wave 最近剛剛完成了一塊新的 Advantage2 測試芯片的校準，該芯片包含超過 4,000 個量子比特，他已在其上測試了更大規模的伊辛模型計算，這些計算任務的復雜性將使經典算法難以企及。

無論如何，D-Wave 目前的態度表現得相當堅定。在介紹新研究成果的新聞發布會上，與會人員頻繁提及 D-Wave 已實現“量子霸權”（quantum supremacy）。對于因兩篇經典算法改進論文而引發的質疑，D-Wave 首席執行官 Alan Baratz 回應道：“我們的研究應被視為一個重要的里程碑，并值得慶祝。”（后臺回復“專用量子計算機展示量子優勢”直接獲取論文）

2024 年，多位院士研判稱：專用量子計算發展迅速，已逐步開始走向實用化，而通用量子計算的實現尚需 10 年以上的時間。例如，郭光燦院士提到：“2020-2030 年代是專用量子計算機時代，這一階段意味著量子計算機已經開始走出實驗室開啟應用探索。...要到 2030-2040 年代才能進入通用量子計算機時代。🔗”薛其坤院士表示：“量子計算機的研發目前仍需攻克錯誤率、相干時間、制冷劑、硬件方案不確定性難關，估計至少需要 10-20 年時間才能研制出實用的通用量子計算機。🔗”潘建偉院士也認為：“要真正實現通用容錯量子計算機，至少還需要 10 余年甚至 20 年時間。當前的主要研究任務是研制專用量子計算模擬機，用于解決量子化學、高溫超導機理等重要學科問題。”

面對此次突破，D-Wave首席科學家Mohammad Amin博士表示：“這是一個重要的里程碑，它得益于 D-Wave 超過 25 年的研究和硬件開發，更有與全球 11 家頂尖物理研究機構兩年的合作，以及在世界最快的超級計算機和合作機構的計算集群的協力，我們進行了超過 10 萬小時的 GPU 和 CPU 模擬。此項研究，不僅是為了實現理查德·費曼（Richard Feynman）‘在量子計算機上模擬自然’這一愿景，還可能為科學發現和量子應用開發開辟新的領域。”

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