IBM与芝加哥大学实现“可验证量子优势”：首次完成具备数学正确性保证的量子计算

技术细节：Heron处理器上的70个逻辑量子比特

旗舰实验在IBM的Quantum Heron处理器上运行，并取得了多项显著指标：

• 70个逻辑量子比特：使用一种新的纠错方法进行编码，是迄今为止报道的最大规模容错逻辑量子比特演示之一。
• 该电路执行了 2415次逻辑双量子比特操作 和 468次逻辑T门操作，这些是衡量计算复杂度的标准指标。
• 计算在 约15分钟 内完成——研究团队表示，使用领先的经典模拟方法需要耗费不切实际的时间。
• 逻辑错误率被抑制到比底层物理量子比特的错误率低约10倍。

该问题本身是一个采样任务，其设计既保证经典计算机难以处理，又便于进行验证。研究团队已通过IBM的 Quantum Advantage Tracker 公开发布了电路和结果，并明确邀请更广泛的研究社区进行独立的挑战和反驳。

验证突破：“时空码”（Spacetime Code）

实现这一可验证结果的核心创新是一种称为“时空码”的技术，它是早期量子优势实验中所用随机电路采样（RCS）方法的一种结构化替代方案。

• 研究人员主要使用 Clifford门 构建电路，这类量子门在经典模拟中高效，并能天然支持错误检测。
• 然后，他们精心将 T门（通用量子计算所必需的非Clifford操作）“嫁接”到电路中的特定位置，这些位置 保留了Clifford框架的错误检测能力。
• 这种设计使系统能够在 计算过程中实时检测错误，而不是依赖事后的经典验证。

研究团队计算出的 保真度下界为0.284，统计置信度为95%——这是量子优势实验首次产生具有数学保证的正确性界限。

然而，这种验证方式也带来了巨大的权衡：实验运行的总次数暴增至正常情况下的 860倍，并且只有约 28% 的运行通过了错误检测筛选。这一开销对于将其扩展到实际应用构成了重大的工程挑战。

更广泛的背景：三项成果，同日发布

7月30日的公告协调了三个独立的预印本，它们于7月27日至28日期间发布在arXiv上，每个都采用了不同的方法来建立对超越经典模拟的量子计算的信心。

• IBM + 芝加哥大学：上述旗舰级的逻辑电路成果。
• IBM + Qedma量子计算公司：使用Qedma的QESEM错误缓解软件，在多达74个量子比特上观察到长程动态，并与RIKEN和BlueQubit的经典模拟结果以及Quantinuum的硬件检查结果进行了对比。
• IBM + Algorithmiq公司：在模拟一种异质量子材料方面展示了量子优势，这个问题在Quantum Advantage Tracker上已悬而未决八个月之久。

外部研究人员指出，Qedma和Algorithmiq的配套论文并未明确声称实现了量子优势，而是陈述其证明了经典模拟的困难性。所有三篇论文均为 预印本，尚未经过同行评审。

质疑与告诫

与任何重大的量子计算声明一样，保持怀疑是必要的。长期批评量子计算的学者 Gil Kalai 认为，噪声仍可能破坏这些结果。860倍的错误检测开销是一个显著的实际限制，将这种方法扩展到具有商业利益的实际问题仍是一个重大的未解挑战。IBM的回应是将其数据和方法完全公开，明确邀请独立挑战。

CEO Arvind Krishna：财务预测与投资计划

在技术公告的同一天，IBM CEO Arvind Krishna出现在CNBC的“Mad Money”节目中，讨论了商业前景。

• Krishna表示，量子计算将在 2028或2029年 对IBM的营收和利润产生 “可衡量的影响”。
• 他声称，IBM “相当确信” 量子计算将在2030年代末创造出 1万亿美元的价值。

这些预测背后有巨额投资支撑。IBM在2026年6月宣布，计划 未来五年在量子计算领域投入超过100亿美元，涵盖研发、硬件制造、纠错、软件和生态系统合作伙伴关系。公司仍 按计划在2029年交付大规模容错量子计算机。

一个计划中的独立量子芯片代工厂正得到 美国商务部10亿美元承诺 的部分支持。

这意味着什么

如果这些结果经受住同行评审，这将是迄今为止最可信的证据，表明量子硬件已跨越一个有意义的实用门槛。将经典上难以处理的计算任务与统计学上保证的正确性相结合，解决了自谷歌2019年Sycamore实验以来一直笼罩在每一次量子优势宣称上的核心信任问题。当然，现实的告诫同样真实存在——巨大的计算开销、问题是为验证而特意选择的，以及论文仍是预印本——但前进的方向已经明朗：量子计算正从概念验证迈向可验证、可信赖的计算时代。