量子计算领域正经历快速发展，硬件性能持续提升，理论挑战也日益明确。近期重要进展包括谷歌基于特定实验（OTOC）实现的可验证量子优势、Quantinuum 推出性能更强的量子处理器，以及理论层面提出的多种量子优势新方案。尽管量子计算机的实际应用仍主要集中在量子模拟和破解密码学上，但硬件的飞速进步使得容错量子计算机的实现看似不再遥远。当前，如何在现有硬件上实现 可验证的量子优势 已成为该领域的核心理论挑战。
谷歌的可验证量子优势
谷歌宣布了一项基于 乱序关联函数（OTOC） 的可验证量子优势实验。与以往依赖于采样的“量子霸权”实验不同，这种新方法的输出结果可以通过另一台量子计算机进行交叉验证。
其实验的核心思想是：
- 对一个量子系统施加一系列复杂操作（一个随机电路
C）。 - 然后插入一些简单的门操作（
g和h）。 - 再反向运行之前的复杂操作（
C⁻¹）。 - 通过多次这样的来回操作，观察一个量子比特的最终状态。
结果发现，在某个中间区域，系统的状态既非初始状态，也非完全随机的混合态，而是一种难以用经典计算机（如张量网络算法）模拟的“第三种状态”。
这项工作向经典模拟算法发出了挑战：如果存在一种快速的经典模拟方法，那它必须基于一种全新的思路。
Quantinuum的硬件与应用进展
作为一家专注于离子阱量子计算的公司，Quantinuum 发布了其新的 Helios 处理器，并展示了其应用潜力。
硬件规格:
- 拥有 98个量子比特。
- 全连接的双量子比特门保真度高达 99.92%。
- 支持“即时”应用门操作，无需预先固定整个电路。
- 引入了“X”形接点，用于路由量子比特，这是可扩展离子阱架构的关键一步。
应用实例:
- Quantinuum 与摩根大通合作，演示了一种改进版的 可认证随机数生成协议。
- 新协议的创新之处在于 逐层发送电路，而非一次性发送。这大大缩短了作弊服务器进行欺骗性计算的时间窗口，从几秒钟压缩到几毫秒，使得网络延迟成为主要障碍。
验证量子优势的新思路
除了谷歌的实验，还有其他团队在探索实现可验证量子优势的路径。
BlueQubit 的方案: 该公司利用 “混淆的峰值随机电路” 来演示量子优势。其目标是创建一个看起来随机、难以被经典算法破解的量子电路，但这个电路隐藏了一个秘密的高概率输出字符串，只有量子计算机才能高效地找到它。
基于纠错码的理论提案: 另一个理论团队提出了一种利用 纠错码 来构造峰值量子电路的方案，这为在通往容错量子计算的道路上演示量子优势提供了新思路。
理论突破：QMA与QCMA的分离
一项重要的理论进展是，有研究者宣布证明了 QMA 和 QCMA 这两个计算复杂度类之间存在经典预言机分离。
如果这项长达91页的证明成立，它将解决一个自2002年以来悬而未决的问题，并有力地表明 量子证明比经典证明更强大。
简单来说，QMA 类似于量子版本的 NP 问题（一个解可以被量子计算机高效验证），而 QCMA 则是其一个变种，其中证明本身是经典的。证明它们的分离，意味着存在某些问题，其量子证明可以被高效验证，但任何经典证明都无法被高效验证。
硬件里程碑与其他动态
创纪录的门保真度: Oxford Ionics（现为 IonQ 旗下）宣布实现了一个保真度高达 99.99% 的双量子比特门，这显著超过了实现量子容错所需的门限。不过，挑战仍在于能否在一个包含数十个量子比特和数百个门的大型可编程系统中复现这种性能。
量子力学中的虚数: 近期有论文探讨了在不使用虚数的情况下构建量子力学理论的可能性。然而，这更多是一场技术性的学术辩论，不太可能改变人们在教学或实践中依赖复数来描述量子力学的方式。
未来展望：我们离容错量子计算机还有多远？
硬件的飞速进步表明，量子计算怀疑论者的观点正面临越来越大的挑战。
鉴于目前硬件发展的惊人速度，我们很有可能在美国下一次总统大选之前，就拥有一台能够运行Shor算法的容错量子计算机。
量子计算的实际应用与核心挑战
尽管硬件发展迅速，但量子计算最有前景的应用领域三十年来基本没有改变：
- 量子模拟: 用于材料科学、药物研发等领域。
- 破解公钥密码学: 例如使用Shor算法。
当前，量子计算理论面临的核心挑战是 在现有硬件上实现可验证的量子优势。最近的几项进展正是对这一挑战的直接回应。虽然这些方案能否经受住经典模拟的挑战尚不确定，但越来越多的严肃尝试，增加了我们最终成功的可能性。