量子计算机仅用19秒完成超级计算机需110年才能完成的任务

想象一下一次抛出 61 枚硬币——只不过这些硬币会以奇怪的量子方式相互影响，而且在每次抛出之前，你都要通过数十个随机选择的操作将它们打乱。

现在将该实验重复一百万次，并记录产生的由 0 和 1 组成的字符串（正面和反面）。

简单来说，这就是研究人员要求 IBM 的 Nighthawk r2 量子处理器所做的事情。该实验被称为随机电路采样，其目的并不是为了解决现实世界中任何真正实际的问题。相反，科学家将其作为一项压力测试：量子计算机能否产生普通计算机极难复制的结果模式？

在这项新实验中，研究人员对 61 个量子比特（qubits）进行了 36 轮操作，涉及 918 次双量子比特相互作用。随后，处理器在短短 19 秒内就生成了一百万个结果。

是什么让这变得独特

重要的部分不在于量子计算机能快速吐出 0 和 1。任何笔记本电脑都能做到这一点。挑战在于重现量子电路所产生的相同概率模式——即在量子比特相互作用后，某些比特串比其他比特串变得更有可能出现的微妙方式。

由总部位于旧金山的量子计算软件和云平台公司 BlueQubit 的 Tigran Sedrakyan 领导的研究人员估计，使用特定的经典模拟方法在 Frontier（世界上最强大的超级计算机之一）上生成具有相当保真度的一百万个样本，将需要大约 110 年的时间。而 IBM 的机器在几秒钟内就完成了这项实验。

该结果在一篇尚未经过同行评审的预印本中进行了描述，标志着在量子优越性（quantum advantage）这一长期竞赛中的一个新里程碑：即量子计算机能够执行超出传统机器实际能力范围的特定计算任务。与之前的许多演示不同，这次使用的是外部研究人员通过 IBM 云平台即可使用的量子处理器，而不是专门制造的实验室机器。

如何测试一个你无法计算出的答案

IBM 的研究人员需要产生一种普通计算机极难模仿的模式。他们显而易见的选择是采用一种名为随机电路采样的行业标准基准。他们让 61 个量子比特经历了 36 轮操作，反复迫使量子比特相互作用并产生纠缠。随着每一轮操作，可能的结果成倍增加，底层的概率模式对于传统计算机来说变得越来越难以追踪。

最后，研究人员对量子处理器进行了 100 万次测量。每次测量都产生了一个不同的 61 位 0 和 1 组成的字符串。

但任何计算机都能生成看起来随机的字符串。诀窍在于这些字符串是否遵循了量子电路所创建的非常特殊的概率模式。

这给研究人员提出了一个棘手的问题：如果计算出完整的正确答案本身就太困难，你该如何检查量子计算机的工作？

首先，他们创建了电路的“修补”版本。他们没有让所有 61 个量子比特作为一个巨大的系统相互作用，而是故意切断了一些连接，并将电路分成三或四个较小的组。这些较小的部分足够简单，传统计算机可以进行精确模拟。这给了研究人员一个参考答案：他们可以将量子处理器产生的结果与经典计算认为应该产生的结果进行比较，然后利用这些较小的测试来估计整个电路保留了多少保真度。