美国BlueQubit研究团队运用IBM最新款Nighthawk r2量子处理器，开展了一项随机量子线路采样测试，在短短19秒内采集了100万个样本。据该团队估算，若要借助Frontier超级计算机完成相同工作，大约需要110年。
这项实验由美国量子计算软件与云服务商BlueQubit的理论凝聚态物理学家Tigran Sedrakyan主导。
Nighthawk r2是一款含有120个量子比特的超导量子处理器，可通过IBM云平台进行调用。研究团队从其中挑选了61个量子比特，运行复杂度逐级递增的随机量子线路，最多执行40个循环。最终，他们在36个循环、918个双量子比特门的情况下，找到了实验所需的平衡点。
在此配置下，Nighthawk r2仅用19秒便完成了100万次采样。这里的关键并非量子处理器能快速生成大量0和1，而是这些结果必须符合特定量子线路产生的概率分布，这正是经典计算机难以复现的难点。
随机量子线路采样（RCS）是量子计算领域用于评估量子处理器性能的一项基准任务。研究人员让量子比特按照随机选择的操作进行多轮演化并产生纠缠，然后反复测量，获得大量由0和1组成的结果字符串。随着量子比特数量和操作轮数的增加，经典计算机计算相应概率分布的难度会迅速上升。
为估算经典计算机完成相同任务所需的计算量，研究团队采用了张量网络收缩方法。计算结果显示，重现这100万组样本大约需要1.2×10²⁷次计算操作。
随后，研究人员以Frontier超级计算机为参照进行估算。Frontier的峰值性能超过每秒10¹⁸次运算，根据研究团队采用的持续性能估算，完成同等任务约需110年。当然，这里的110年是基于特定经典模拟算法得出的估算值，并非经典计算机完成该任务所需时间的理论上限。
为验证量子处理器产生的结果，研究人员还采用了两种交叉验证方法。第一种方法是构建经过“裁剪”的量子线路，将61个量子比特拆分为三个或四个较小系统，使经典计算机能够精确模拟部分线路，再以此评估完整实验的结果。
第二种方法则使用镜像线路，让量子处理器执行一组操作后立即执行完全相反的操作。如果量子处理器理想运行，最终状态应回到初始状态；偏离程度可以反映实验过程中累积的噪声和错误。两种方法随着线路深度增加仍给出了较为接近的结果。
在36个周期的实验条件下，剩余量子信号的保真度约为0.23%。这一数值不能直接理解为传统意义上的“正确率”，因为随机量子线路采样过程中，大部分量子信息会受到噪声影响而逐渐消失，实验需要确认的是理想量子概率分布是否仍留下可测量的痕迹。
Nighthawk r2的硬件设计也帮助缩短了实验时间。与IBM上一代Heron处理器相比，该处理器采用专用复位机制，可以主动释放量子比特中的能量，将连续运行实验之间的等待时间缩短至最低约1微秒。
IBM表示，Nighthawk r2每秒可执行超过10万个量子线路，相比之下Heron约为每秒4000个。这使得需要大量重复执行的随机量子线路采样实验能够更快完成。
不过，研究团队并未宣称量子计算机已经让经典超级计算机失去意义。“110年”这一数字建立在特定的张量网络模拟方法和相关假设之上，更高效的算法、重复利用中间计算结果以及其他近似方法，都可能明显降低经典计算所需的时间。
类似情况此前已经出现在谷歌2019年的Sycamore实验中。当时研究人员估算，经典超级计算机完成对应任务需要约1万年，但随后经典计算领域出现了更高效的模拟方法，大幅缩短了这一时间。因此，量子优势并不是一个固定不变的指标，而是随着量子硬件和经典算法的发展不断变化。
此次实验的意义在于，相关量子优势测试并非依赖仅存在于实验室中的专用设备，而是在研究人员可以通过云平台访问的商业量子处理器上完成。研究团队还公开了实验所使用的量子线路、样本和分析代码，供其他研究人员复现和验证。
需要注意的是，随机量子线路采样本身并不是面向实际生产应用的计算任务，而是一项用于测试量子计算机能力的基准实验。
相关研究目前以预印本形式发表于arXiv，尚未经过同行评审。IT之家附论文地址： https://doi.org/10.48550/arXiv.2609.28657
