“对于量子计算来说，这是非凡的一天，我们在有用问题上展示的量子计算优越性是行业首创。”
D-Wave的首席执行官，Alan Baratz博士何出此言？
3月12日，以D-Wave团队为第一单位的论文《Beyond-classical computation in quantum simulation》（在量子模拟中超越经典计算）发表在《Science》上，这项研究表明D-Wave退火量子计算机可以在几分钟内执行磁性材料模拟，其精度水平使用超级计算机需要近100万年的时间。使用超级计算机解决这个问题所需的电力将超过全球每年的电力消耗，超级计算机由图形处理单元（GPU）集群构建。
Alan Baratz博士同时还表示，D-Wave的退火量子计算机现在能够解决世界上最强大的超级计算机无法解决的有用问题，很高兴D-Wave的客户可以使用这项技术来实现量子退火机的有形价值。
不过，这里有一个插曲。
NewScientist于3月12日发了一篇题为《对D-Wave的量子计算机优越性主张的质疑》的文章，据他报道，“纽约大学物理学教授Dries Sels及其同事说，他们利用一种名为张量网络的数学领域，在一台普通笔记本电脑上进行了类似的计算，仅用了两个小时。这些网络从根本上减少了模拟所需的数据量，大大降低了运行模拟所需的计算能力。”
D-Wave的Andrew King回应道“这并不能改变该公司最初的说法。他们没有做我们做的所有问题，没有做我们做的所有尺寸，没有做我们做的所有观测指标，也没有做我们做的所有模拟测试。这是一个巨大的进步，这些都是伟大的研究人员......但这并不能反驳我们的优势主张”。
同时，该篇报道中提到，“King还说，在听了Sels的论文后，他决定进行更大规模的计算，涉及多达3200个量子比特（量子比特是量子计算机的构件），远远超过Sels模拟的54个量子比特。他说，这进一步证明了量子的优越性，尽管结果尚未公布。”
量子计算的进步本就是互相超越、追求更极致的速度，也许还会有更多的质疑声、挑战者不断出现。
这一成果也当然地震动了量子计算公司的股价。
据华尔街见闻，“美东时间周三，量子计算概念股D-Wave Quantum股价一度涨近18.8%。过去两个交易日，该股已飙升25%”。
D-Wave的消息一出后，随之而来的是量子计算二级市场的繁花再现：IonQ一度涨12%，Rigetti Computing一度涨5.8%，Quantum Computing一度涨10%，SkyWater Technology一度涨4.8%，Arqit Quantum一度涨8%。
另外，同花顺数据显示，D-Wave在3月12日的成交额达到4.26亿美元，较前一日增长115.24%。
图：D-Wave成交额
来源：同花顺
图：D-Wave成交额
来源：同花顺
D-Wave的这项成果为什么能引发如此轰动？
D-Wave破解量子材料谜题，量子产业革命不再静音
从材料发现说起，这是一项计算复杂、能源密集型且昂贵的任务，当今的超级计算机和高性能计算（HPC）中心由数以万计的GPU构建而成，并不总是具备及时或节能地进行复杂材料仿真的计算处理能力。
几十年来，科学家们一直渴望构建一台量子计算机，能够解决传统计算机无法解决的复杂材料模拟问题。
因为材料的行为受量子物理定律的支配，了解磁性材料的量子性质对于寻找将其用于技术进步的新方法至关重要，材料模拟和发现也是重要研究领域之一。
就像在这项工作中进行的磁性材料模拟一样，使用计算机模型来研究人眼不可见的微小粒子如何对外部因素做出反应。
通常，磁性材料广泛用于医学成像、电子、超导体、电网、传感器和电机。
Andrew King博士（D-Wave科学家）认为这项研究证明了D-Wave的量子计算机能可靠地解决可能帮助新材料发现的量子动力学问题，甚至能以几年前不可能的方式创造并操控可编程量子物质。
D-Wave在量子硬件方面的进步使其退火量子计算机首次能够处理此类问题，所以，大多都认为此次D-Wave实现了业界首个量子计算里程碑。
取得突破性成果之前，必然有数次的失败与进步。
这次的研究成果得益于此前D-Wave的两项研究：
在《自然·物理学》（2022年）上发表的《Coherent quantum annealing in a programmable 2,000 qubit Ising chain》（可编程2,000量子比特伊辛链中的相干量子退火），
在《自然》（2023年）上发表的《Quantum critical dynamics in a 5,000-qubit programmable spin glass》（5000量子比特可编程自旋玻璃中的量子临界动力学），
当时的研究证明量子退火可以为优化复杂问题提供量子加速，进而带动这次Advantage2原型的快速退火功能的发展，该功能在执行证明量子计算优越性所需的精确量子计算方面发挥了至关重要的作用。
而且，用于实现量子计算优越性的Advantage2原型现已通过D-Wave的Leap™ 实时量子云服务供客户使用。
与上一代Advantage系统相比，该原型提供了显著的性能改进，包括增强的量子比特相干性、连接性和能量尺度，为更大、更复杂的问题提供更高质量的解决方案。
如果按照D-Wave官方所言，该公司现在拥有比论文中所使用的原型大四倍的Advantage2处理器，并将论文中的模拟从数百个量子比特扩展到数千个量子比特。
让我们再来了解一下这篇论文。
超导量子退火机如何突破经典计算的极限？
论文这项研究证明了超导量子退火处理器可以快速生成与薛定谔方程解非常一致的样本。
还通过实验证明二维、三维和无限维自旋玻璃模型猝灭动力学中纠缠的面积律标度，支持了观察到的矩阵乘积态的伸缩指数标度方法；发现基于张量网络和神经网络的几种主要近似方法在合理的时间范围内无法达到与量子退火机相同的精度。
最终认为量子退火机可以回答经典计算可能无法解决的具有实际重要性的问题。
1、量子计算“三板斧”：量子比特、纠缠和纠错
量子计算的理论基础建立在量子力学的核心原理之上，量子比特是量子计算的基本单元，其状态可以表示为两个正交态的线性组合，即|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩，其中α和β是复概率振幅，满足|α|^2 + |β|^2=1。量子比特的演化由量子门控制，这些量子门是酉变换（unitary transformation）的体现，例如Hadamard门、Pauli-X门等。
它们的作用是改变量子比特的状态，实现对量子态的操控。
量子纠缠是量子计算的关键特性之一。纠缠态的量子比特之间存在非经典关联，即使相隔遥远，一个量子比特的状态改变会瞬间影响到另一个量子比特。
文章通过建立张量网络模型，研究了多体量子系统中纠缠态的生成和演化。
张量网络是一种强大的数学工具，它可以有效地表示多体量子态的复杂结构，通过优化张量参数，可以实现量子态的高效计算和模拟。
此外，文章还探讨了量子态的保真度和量子门的错误率，量子态保真度是衡量量子态与理想态相似程度的指标，而量子门的错误率则直接影响量子计算的准确性。
通过引入量子纠错码和量子容错理论，研究团队尝试降低量子计算中的错误率，提高量子比特的稳定性和可靠性。
2、超导量子比特如何“被驯服”？
在实验部分，研究团队利用超导量子比特技术，构建了量子计算实验平台。
超导量子比特是目前最有希望实现量子计算的物理系统之一，它通过在超导电路中引入约瑟夫森结（Josephson junction），形成具有两个能级的量子体系，这两个能级可以分别对应量子比特的|0⟩和|1⟩状态。
实验中，量子比特的操控通过微波脉冲实现。微波脉冲的频率、幅度和相位被精确控制，以实现量子比特的单比特和两比特操作，例如，通过调整微波脉冲的相位，可以实现Hadamard门操作，将量子比特从一个确定态转变为叠加态。
而两比特操作则可以通过量子比特之间的耦合实现，例如CNOT门操作。这些操作是实现量子纠缠和量子计算的基本单元。
实验中特别关注量子态的保真度和量子门的错误率。为了提高量子比特的稳定性，研究团队采用了多种技术手段，例如通过优化量子比特的设计参数，降低量子退相干的影响。
量子退相干是量子态失去量子特性的过程，它主要源于量子系统与环境的相互作用，增加量子比特与环境的隔离程度，可以有效延长量子比特的相干时间。
另外，实验中还利用量子态层析技术（quantum state tomography）对量子态进行精确测量。量子态层析技术通过多次测量量子态的不同投影，重建量子态的密度矩阵。通过分析密度矩阵，可以计算量子态的保真度，从而评估量子比特的质量。
图：lsing自旋玻璃淬火后状态的采样。
图：QPU和MPS在淬火2D自旋玻璃上的应用。
图：8x8系统中PEPS的故障
图：纠缠和与QPU等价的键维度。
图：大规模量子模拟的动态标度和资源估计
最终，实验结果表明通过超导量子比特技术实现了高效的量子纠缠生成和量子门操作。量子比特的保真度达到了前所未有的高度，量子门的错误率显著降低。
在量子纠缠方面，研究团队成功生成了多达多个量子比特的纠缠态，并通过量子态层析技术验证了纠缠态的质量。
量子纠缠的生成和维持是量子计算的关键，这些结果为量子计算的进一步发展奠定了坚实基础。
在量子门操作方面，实验团队实现了高保真度的单比特和双比特操作。这些量子门的精度和稳定性是实现复杂量子算法的关键。
通过优化量子比特的设计和微波脉冲的控制，量子门的错误率得到了显著降低，为量子计算的实用性迈出了一大步。
研究团队还展示了量子退相干的抑制技术，通过降低量子比特与环境的相互作用，量子比特的相干时间得到了显著延长。
专家背书：D-Wave量子退火机实现材料模拟量子优势
D-Wave的这项成果不仅将量子退火机的应用场景从理论推向产业临界点，还引发了学界对量子计算潜力的新一轮激烈讨论，来自东京工业大学、麻省理工学院、橡树岭国家实验室、苏黎世联邦理工学院、马德里康普顿斯大学和不列颠哥伦比亚大学的专家们也纷纷发声。
D-Wave首席科学家Mohammad Amin博士的发言像是一个追求技术突破的长期主义者，他说“这是D-Wave超过25年的研究和硬件开发、与全球11个机构的两年合作，以及在世界上最快的超级计算机之一以及合作机构的计算集群上进行超过100,000个GPU和CPU小时的模拟，从而实现的一个重要里程碑。”除了实现Feyman在量子计算机上模拟自然的愿景外，还为科学发现和量子应用开发开辟新的领域。”
有一部分人关注“量子与经典的边界重构”，比如，
D-Wave首席开发官Trevor Lanting博士认为“更广泛的量子计算研发社区正在共同构建对量子计算可以超越经典计算的计算类型的理解，这项工作需要持续和严格的实验，有明确的证据表明我们的量子计算机在哪些方面能够胜过经典方法。我们鼓励学术界的同行继续努力，进一步定义量子和经典计算之间的界限，也相信这些努力将量子计算技术发展。”
东京工业大学物理系教授Hidetoshi Nishimori博士表示这一成果通过严格基准测试证明了大规模量子计算在现实世界的适用性，揭示了其变革潜力；
麻省理工学院量子机械工程教授Seth Lloyd博士肯定了量子计算机可探测当今量子系统特征，并认为量子计算机有望在各种系统中探索奇异的量子效应。
也有人关注产业应用可能性验证，比如，
量子科学中心主任、橡树岭国家实验室杰出科学家Travis Humble博士表示ORNL寻求通过许多不同的途径扩展计算的前沿，为材料科学应用对量子计算进行基准测试为我们理解新的计算能力提供了关键输入；
马德里康普顿斯大学理论物理学教授Victor Martin-Mayor博士表示论文结果的清晰度非常出色，论文作者解决了一个对经典计算机来说既重要又极具挑战性的问题，并且确实证明了他们的量子退火机在这项任务上的表现优于最先进的经典模拟方法；
不列颠哥伦比亚大学高级科学家Alberto Nocera博士认为这项研究为基于模拟机的量子技术打开了大门。
苏黎世联邦理工学院物理系副教授Juan Carrasquilla博士则是关注到了量子计算学术研究新范式的探索，他认为这次D-Wave的成果为开发量子多体物理学中失衡动力学的新型模拟技术提供了强大的基准和动力，希望这些发现能鼓励对执行此类模拟所涉及的计算挑战进行理论探索，包括经典和量子力学。
量子计算的真正意义，在它与经典计算的边界中开始浮现，量子优越性又该如何转变为真正的生产力呢？