D-Wave退火量子计算机完成磁性材料模拟，证明在实用问题上优越性

当地时间 3 月 12 日，加拿大量子公司、号称“全球首家量子计算机商业供应商”的 D-Wave 公司和合作者在Science发表论文 [1]，称其在全球范围内首次也是唯一一次证明了量子计算在实用的现实世界问题上的优越性。

（来源：D-Wave 公司）

具体来说，本次研究表明 D-Wave 的 Advantage2 退火量子计算机可以在几分钟内完成磁性材料模拟，而使用基于 GPU 集群构建的传统超级计算机则需要近一百万年的时间，后者的耗电量超过全球一年的电力消耗。

对可编程自旋玻璃中的量子动力学进行模拟，是一个兼具高商用价值、高科学价值、高计算难度的磁性材料模拟问题。而 D-Wave 和合作者使用 Advantage2 退火量子计算机以及美国能源部橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机，在几分钟内模拟了一系列晶格结构和尺寸在不同演化时间下的行为，并得出了多种重要的材料特性。

D-Wave 的 CEO 艾伦·巴拉兹（Alan Baratz）表示：“所有其他关于量子系统优于经典计算机的说法都存在争议，或者涉及没有实际价值的随机数生成。（而）我们的成就表明 D-Wave 的退火量子计算机能够解决世界上最强大的超级计算机无法解决的实用问题。”

据了解，材料的行为受到量子物理定律的支配。而磁性材料则已被广泛用于医学成像、电子、超导体、电网、传感器和电机等领域。了解磁性材料的量子性质对于找到将其用于技术进步的新方法至关重要，这使得材料模拟和材料发现成为领域内的重要研究方向。而在本次研究中，D-Wave 在磁性材料模拟实验中，使用计算机模型来研究人眼看不见的微小粒子如何针对外部因素作出反应。

材料发现是一项计算复杂、耗能且成本高昂的任务。当今的超级计算机和高性能计算中心由数万个 GPU 构建而成，但在针对复杂材料模拟进行计算处理时，不仅速度较慢而且十分耗能。几十年来，科学家一直渴望建造一台能够解决传统计算机无法解决的复杂材料模拟问题的量子计算机。而 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。

这项研究证明，D-Wave 的量子计算机能以可靠方式解决量子动力学问题，从而能够发现新的材料，并能以几年前不可能的方式来创造和操纵可编程量子物质。这一成果也为基于模拟器的量子技术打开了大门，助力于解决那些使用传统计算机所无法解答的科学问题。

日本东京工业大学西森秀稔（Hidetoshi Nishimori）教授表示：“这篇论文标志着大规模量子计算在现实世界适用性的重要里程碑。通过对量子退火器与最先进的经典方法进行严格的基准测试，它令人信服地证明了量子计算在解决实际问题方面的优势，揭示了其在前所未有的规模上的变革潜力。”

美国麻省理工学院塞思·劳埃德（Seth Lloyd）教授表示：“尽管大规模、完全纠错的量子计算机还需要几年时间才能问世，但量子退火器可以探测当今量子系统的特征。D-Wave 团队使用大规模量子退火器揭示了复杂量子系统中的纠缠模式，而这些模式远远超出了最强大的传统计算机的能力范围。这一结果显示了量子退火器在探索各种系统中奇异量子效应方面的潜力。”

不过，对于本次论文也有同行发表了不同意见。美国纽约大学的德里斯·塞尔斯（Dries Sels）及其同事表示，他们利用一个名为张量网络的数学领域的方法，在普通笔记本电脑上仅用两小时就完成了类似的计算。这些网络本质上减少了模拟所需的数据量，从而大幅削减了运行模拟所需的计算能力[2]。

用量子退火处理器模拟横场伊辛模型的连续时间量子动力学

此前，几乎所有关于超经典计算的尝试都围绕着随机数生成展开，无论是通过玻色采样还是随机电路采样。经典模拟方法虽然能够忠实地复现电路的理想量子演化过程，但是通常需要使用随问题规模呈指数级增长的时间资源和内存资源。

然而，从经典计算角度复现含噪量子处理器的输出结果可能要容易得多。也有研究团队在含噪量子系统的经典模拟方面已经取得了巨大进展。

尽管“量子处理单元能在某些问题上远超最优经典方法”的这一论断已无争议，但尚未在具有实际价值的问题上得到确凿验证。曾有研究团队尝试通过在横场伊辛模型离散化动力学中展现量子计算超越经典计算的能力，但是相关主张很快遭到质疑。（注：横场伊辛模型，是统计物理和量子力学中一个非常重要且经典的模型。）

基于此，D-Wave 着眼于同类型中更具普适性与实用性的问题：使用超导量子退火处理器来模拟横场伊辛模型的连续时间量子动力学。另外，量子退火技术已被人们用于模拟类伊辛系统中的量子相变，所采用的系统既包括超导量子比特，也包括里德堡原子阵列。

之前，曾有研究团队在一个包含超过 5000 个量子比特的三维自旋玻璃系统上展示了量子临界动力学，所测量得到的临界指数与预期普适类中的估计值高度吻合，这为薛定谔演化提供了有力证据。（注：薛定谔演化，指的是量子系统遵循薛定谔方程所描述的演化过程。）

而在这一规模下，此类演化通常无法用经典方法进行模拟。在此前人们所研究的参数范围内，尽管相关长度有限并且实验精度有限，但是仍然有必要证明，近似经典方法在合理的时间内无法达到量子处理单元所能达到的解决方案质量。

因此，本次研究旨在评估在与量子处理单元相当的精度之下，对横场伊辛模型在经历量子相变淬火后的状态进行采样所需的计算资源。

在量子领域，一维链（1D chains）指的是具有线性排列特征、仅在一个维度上延伸的量子体系。自旋玻璃（spin glasses）是一种具有复杂磁性相互作用的磁性材料，其内部自旋的排列呈现出长程无序的状态。而超导量子退火处理器已被证实能够高精度地解决一维链和小尺寸自旋玻璃的模拟问题。

在本次研究之中，D-Wave 展示了超导量子退火处理器能够快速生成与薛定谔方程的解高度吻合的样本。并证明在二维、三维以及无限维自旋玻璃的模型淬火动力学中，纠缠具有面积定律缩放特性，这支持了矩阵乘积态方法所观察到的拉伸指数缩放的计算量规律。

本次研究还表明，几种基于张量网络和神经网络的主流近似方法，在合理的时间范围内无法达到量子退火器所能实现的相同精度。因此，量子退火器能够回答一些重要的实用型问题，并说明其能力可能超出了经典计算的能力范围。

图｜不同维度的大型可编程拓扑结构（来源：Science）

已通过实时量子云服务实现商用

另据悉，本次成果基于 D-Wave 此前在Nature PhysicsNature所发表论文中的成果，更早之前的这些成果分别从理论上和实验上证明了量子退火在复杂优化问题中能实现量子加速。（注：在量子领域，复杂优化问题指的是那些具有高度复杂性、涉及众多变量和约束条件，需要通过寻找最优解或近似最优解来达成特定目标的优化问题。）

用于实现量子计算优越性的 Advantage2 原型机，现已能通过 D-Wave 的 Leap 实时量子云服务实现商用。目前，该原型机相较于上一代 Advantage 系统在性能上有着显著提升，包括更高的量子比特相干性、连接性和能量规模，这使得针对更大、更复杂问题能够得出质量更高的解决方案。

另据悉，D-Wave 现在拥有一款 Advantage2 处理器，其规模是此次研究中所用原型机的四倍，同时其已将本次论文成果中的模拟范围从数百个量子比特扩展到数千个量子比特。

量子处理单元已被证明能够准确采样多种随机模型，其微观特征、宏观特征及标度统计量的预测结果均与真实基态相符，且无需预先获知基态信息。所以，D-Wave 也希望本次成果能够促进新型量子模拟数值技术的发展。

另外，领域内正在共同建立对于量子计算可以超越传统计算的计算类型的理解。对于本次成果来说，也需要对其持续进行严格实验。

D-Wave 的首席开发官特雷弗·兰廷（Trevor Lanting）公开表示：“这项工作是加深上述理解的重要一步，有明确的证据表明我们的量子计算机能够超越传统方法。我们相信传统方法不可能重现我们产生的整个结果集。我们也鼓励学术界的同行继续努力进一步定义量子和经典能力之间的界限。”

瑞士苏黎世联邦理工学院胡安·卡拉斯基拉（Juan Carrasquilla）副教授对上述观点表示赞同，其公开表示：“（本次成果）也是对科学界的一种邀请，因为这些成果为开发针对量子多体物理中非平衡动力学的新型模拟技术提供了一个强有力的基准和动力。此外，我希望这些发现能够鼓励从经典计算和量子力学计算两方面对于开展此类模拟所涉及的计算难题进行理论探索。”

（来源：Science）