对D-Wave “至高无上”的争议掩盖了真正的进步

本月早些时候，量子计算公司 D-Wave 表示它可以解决经典计算机能力之外的问题，从而引发了争议。这一说法很快受到了质疑，但专家表示，尽管引起了愤怒，但结果表明其技术的能力不断增强。

“量子霸权”是指量子计算机可以解决经典计算机基本上不可能解决的问题，已成为量子计算行业的指路明灯。谷歌、初创公司 Xanadu 和中国科学技术大学的研究人员都声称已经跨越了这一里程碑。但它们因使用严重偏向量子硬件的测试而受到批评，因为它们本质上是让这些处理器产生随机输出，然后挑战经典计算机来模拟它。

总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的 D-Wave 现在是最新一家声称拥有量子霸权的公司，其结果于 3 月 12 日发表在《科学》杂志上。但这次的实验涉及量子模拟，该公司表示，这些模拟对科学研究和材料发现都有潜在价值。D-Wave 的说法遭到了专门在经典硬件上模拟量子系统的专家的反对，但该公司坚持自己的立场。

“我们声称这台机器可以模拟一些经典无法解决的问题，并回答一些经典永远无法回答的科学问题，”D-Wave 的首席科学家 Mohammad Amin 说。“我认为，这种说法将永远存在。”

虽然 Google、IBM 和 IonQ 等公司正在构建原则上可以运行任何量子算法的“通用量子计算机”，但 D-Wave 的机器依赖于一种称为量子退火的过程。这种方法只能处理某些类型的任务，最突出的是优化问题。它涉及将问题的参数仔细编程到机器的量子比特中，然后让它们随着时间的推移而发展以找到解决方案。

在其最新的实验中，D-Wave 的研究人员使用了其新型 Advantage2 处理器的原型，该处理器具有大约 1,200 个超导量子比特，以模拟具有不同结构和尺寸的磁性材料在不同时间尺度上的量子动力学。然后，他们与外部研究人员合作，这些研究人员试图使用领先的经典技术来复制结果。在《科学》杂志的论文中，作者声称，在橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机上，将 D-Wave 的结果与最大问题相匹配将采用最好的经典方法，称为矩阵积态 （MPS），长达数百万年。

D-Wave 与传统计算的争论

D-Wave 的量子霸权主张很快就受到了挑战。瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员证明，他们可以使用四个图形处理单元在短短几天内完成 D-Wave 估计表明在 Frontier 上需要 150 多年的计算。来自纽约市 Flatiron Institute 的另一组团队表明，将 MPS 与另一种算法技术相结合，使他们能够在短短几个小时内在单个 CPU 上仿真一些较小的模型。他们还表明，该方法可以很容易地扩展到更大的问题。

瑞士苏黎世联邦理工学院物理学副教授、《科学》论文的合著者 Juan Carrasquilla 说，这两项研究都推动了经典技术的最新发展，他进行了 D-Wave 基准的 MPS 计算。但他说，这两项研究都没有推翻该论文的核心主张，因为这两个小组都只解决了该公司模拟的问题的一个子集，而且时间尺度更短。虽然这些方法在纸面上看起来可扩展，但在实践中可能比看起来更具挑战性。

“这缩小了索赔的范围，但如果你想完全推翻它，你应该能够模拟 D-Wave 在论文中提出的系统，”Carrasquilla 说。

熨斗研究所（Flatiron Institute）的研究科学家迈尔斯·斯图登迈尔（Miles Stoudenmire）说，他的团队没有看到将他们的方法扩展到更大问题的科学价值，但他们现在计划这样做来证明这一点。不过，更广泛地说，他对 D-Wave 的霸权主张提出了异议，因为它忽视了经典方法进一步发展的可能性。

“核心问题是，他们的说法不仅不是真的，而且在某种意义上也不可能是真的，因为这是关于未来的声明，”他说。“我们发现这种语言非常令人反感，坦率地说，这是不科学的。”

无论是否最高，结果都可能有用

关于 D-Wave 的机器是否能超越可以想象的最快计算机的争议也掩盖了一个更相关的事实——它比当今最好的经典技术要快得多。虽然还有其他权衡需要考虑，例如成本和系统的不灵活性，但 Stoudenmire 表示，使用他的方法需要数小时才能解决的问题，而 D-Wave 的机器可以在几分之一秒内解决。

巴黎综合理工学院 （École Polytechnique） 的人工智能和凝聚态物理学教授 Filippo Vicentini 表示，即使 D-Wave 的机器无法展示至高无上的地位，它仍然可能具有实际优势。“如果你有一个可以在几分钟内完成工作的量子处理器，你就不会想让 GPU 运行数百或数千个小时，”他说。

然而，Vicentini 说，虽然可能有一些科学问题可以通过模拟《科学》论文中介绍的量子动力学来回答，但没有明显的商业应用。在 2023 年《自然》杂志的一篇论文中，D-Wave 表明，一些优化问题可以映射到这种类型的量子模拟上，并且它的机器可以比经典计算机更快地完成这些模拟。但 Vicentini 指出，有大量强大的经典优化算法可以直接解决这些问题，而无需先将它们转换为量子模拟。

Carrasquilla 对此表示赞同，并指出媒体报道表明该结果可能具有实际应用具有误导性。“当人们说我们现在可以模拟材料时，这指的是材料的一个非常非常小的角落，绝对不是分子，不是药物发现，不是材料发现，”他说。“对于统计力学和量子多体物理学来说，这非常有趣，但对于商业相关的问题，我认为这还很遥远。”

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的科学家卡尔顿·科夫林（Carleton Coffrin）则更为乐观。他领导了一个项目，使用 D-Wave 的计算机来模拟“量子磁体”，有朝一日，量子磁体可能会成为量子计算机的超精密传感器或存储设备的基础。事实证明，在短短几分钟内即可在超级计算机上运行需要数天时间的实验的能力特别强大。“这使得凝聚态理论专家能够几乎实时地与硬件进行交互，”Coffrin 说。“这只会大大加快您获得的见解类型。”

自 2017 年以来，该小组还一直在测试 D-Wave 的量子计算机优化问题。Coffrin 说，《科学》杂志上报道的量子模拟没有直接应用于这类问题，但每次 D-Wave 升级其底层量子比特技术时，他的团队都看到了性能的显著提升。2022 年，他们报告说，在某些优化问题上，具有大约 5500 个量子比特的老一代 D-Wave 计算机的速度是最好的经典算法的 15 倍。

这种差距可能可以通过共同努力开发新的经典算法来缩小。但是，如果该公司能够将量子比特数量翻倍到 10,000 个，Coffrin 怀疑经典方法将越来越难以跟上。“在这种规模下，在其他条件相同的情况下，古典比赛还有很长的路要走，”他说。“那会很困难。”

D-Wave 声称，其量子计算机通过解决经典计算机无法解决的问题实现了“量子霸权”——至少在现实的时间范围内是这样。