量子优势时代来临

量子计算正迈向一个新时代，即 “量子优势” 时代。这意味着在处理特定计算任务时，量子计算机能够比传统经典计算机表现得更准确、更高效或成本更低。实现量子优势需要高性能硬件、量子与经典协同的基础设施以及精确的电路运行方法，其中误差缓解技术至关重要。预计首批量子优势将在 2026 年底前出现，主要集中在优化、化学模拟等领域，通过如样本基量子对角化（SQD）和 Krylov 量子对角化（KQD）等方法，已展现出超越经典计算极限的潜力。这并非一蹴而就的事件，而是一个需要整个社区共同制定标准、验证成果的持续探索过程。

什么是量子优势？

量子优势指的是量子计算机在执行某项任务时，同时满足两个核心标准：

• 可严格验证： 量子计算机输出结果的正确性必须能够被严格证实。
• 展现优越性： 在效率、成本或准确性上，明确超越仅使用经典计算所能达到的水平。

这一定义意味着，量子优势并非由量子计算机独立实现，而是通过 量子与经典计算协同工作 来达成的。

量子优势的真正含义是，“量子加经典”的组合能够胜过“单独的经典计算”。

我们期待的理想基准是建立一种 无条件的量子分离，即在算法性能上，量子计算机与经典计算机之间存在一个可证明的、清晰的差距。

如何实现量子优势？

推动量子优势的实现，需要三个关键要素的进步：

• 高性能的量子硬件。
• 能够跨量子和经典资源同步运行程序的基础设施。
• 运行精确量子电路的方法，其中误差缓解技术是核心。

基于当前的技术路径，预计首批量子优势的突破将集中在以下三个问题领域：

• 采样问题
• 变分问题
• 计算可观测量（Observables）的期望值

实现量子优势不会是一个单一的时间点，而是一个反复验证的过程。研究团队会提出假设，整个社区则会通过各种尝试来支持或证伪这些假设，直到最终达成共识。

误差缓解：通往优势的关键

在实现完全的容错量子计算之前，误差缓解 技术是实现近期量子优势的重中之重。这些技术旨在减少或消除量子电路中噪声引起的计算偏差。

误差缓解对于在 2026 年底前实现量子优势至关重要，并可能在早期容错量子计算时代继续扮演重要角色。

目前，已有多种强大的误差缓解方法，例如：

• 张量网络误差缓解 (TEM): 在软件后处理中管理噪声，同时降低对量子处理器的使用。
• 量子误差抑制与误差缓解 (QESEM): 结合硬件级误差抑制和软件级误差缓解，以提高计算的可靠性。

这些技术简化了误差处理，使研究人员能够利用现有的量子计算机解决更复杂的问题。

变分原理：一个充满希望的方向

在化学和材料科学领域，遵循 变分原理 的算法正让量子优势变得触手可及。这类问题的解决方案可以被明确地排序和比较，因此，如果量子方案提供了更高的精度或更低的能量，就构成了可被严格验证的量子优势。

两种有代表性的技术正在展现其潜力：

• 样本基量子对角化 (SQD): 通过量子与经典计算机协同工作，找到一个合适的子空间来简化对系统总能量（哈密顿量）的计算。近期，研究人员已使用该方法成功模拟了复杂的分子，其计算规模超出了经典精确模拟的极限。
• Krylov 量子对角化 (KQD): 一种与 SQD 类似的方法，其强大之处在于，在满足某些假设的前提下，它能保证收敛到最佳答案，适用范围更广。

优势仅仅是开始

实现量子优势是一场 马拉松，而非冲刺。即便首批优势得到公认，对新算法和应用的探索也远未结束。为了确保这一过程的科学性和公平性，整个社区需要共同努力，建立并采纳一套最佳实践：

• 制定标准化基准问题： 与经典计算专家合作，确保问题具有现实意义且公平。
• 公开方法与数据： 详细公布研究方法和数据集，以便结果可被复现。
• 维护开放的排行榜： 建立开放平台，追踪和比较不同计算方案的性能进展。