量子计算正迈入一个新阶段——超越经典计算的结果不仅能够被产生，还能附带严格的可靠性证明。
所谓量子优势，是指量子计算机完成了经典计算机无法单独实现的计算，且这一结果能够得到严格验证。然而，这引出了一个根本性问题：当经典验证手段不再适用时，我们如何信任量子计算机的输出？
近日，来自芝加哥大学、Qedma和Algorithmiq的研究人员与IBM合作，联合发布了三篇论文，报告了基于可信框架的量子优势演示成果。
自量子计算兴起以来，研究人员始终依赖经典计算机对量子计算机的输出进行验证。当量子计算机开始为超出经典计算极限的问题给出结果时，对其有效性的论证往往依赖于规模更小或更简单的问题实例，并将结论外推至经典方法无法触及的复杂度区间。然而，这种外推并不能完全验证处于"优势"区间内的计算——噪声影响或误差传播的方式可能截然不同。
这三篇论文也是"量子优势追踪器"持续追踪工作的一部分。目前，追踪器中已收录来自Q-CTRL、BlueQubit以及印度比拉理工学院的候选方案，学术界的讨论预计还将持续深入。
IBM与芝加哥大学：时空码与掺杂Clifford采样
随机电路采样（RCS）已成为展示量子计算分离优势的主流方法之一，因为精心构造的随机电路很快就会使经典模拟变得难以处理。但这种难以模拟的特性同时也带来了验证难题。
交叉熵基准测试（XEB）需要计算理想输出概率，对于较大的电路而言，这一操作成本极为高昂。因此，早期实验通常依赖更小或更简化的电路来推断无法直接验证的大规模电路性能。尽管这种方法在实践中提供了对硬件性能的估算，但它本质上是"代理的代理"，而非对经典难以处理计算本身的直接认证。
IBM与芝加哥大学的研究人员在新论文中针对这一验证空白，采用了一种名为"掺杂Clifford采样"的结构化替代方案。研究人员在与RCS类似的假设下建立了硬度保证，但关键在于，这种额外的结构还能在计算过程中检测误差。
Clifford电路被嵌入时空码中，其检测区域同时覆盖量子比特和电路的时间演化过程。
时空码利用分布于空间和时间维度的辅助量子比特，在量子计算过程中检测误差。通过对满足一致性校验的运行结果进行后选择，研究人员能够显著提升逻辑操作的保真度。在此次演示中，一项70逻辑量子比特的计算在保持实际执行效率的同时，实现了约10倍的等效门误差降低。
研究人员通过大规模T掺杂电路展示了这一方法。在该电路中，非Clifford T门被策略性地加入到原本可高效模拟的Clifford电路中，使计算在经典层面变得困难，同时保留了纠错和验证所需的结构。
核心创新在于：验证成为计算框架本身的组成部分。实验从编码Clifford参考电路出发——其输出仍可被经典高效模拟，从而建立可信基准。通过在保留相同综合征校验的前提下策略性地引入T门，即可构造出难以经典处理的计算。
通过将可经典验证的Clifford参考电路的保真度与综合征及逻辑误差信息相结合，研究人员推导出编码逻辑计算保真度的严格下界。这不再依赖实验后的外部代理指标，而是让计算本身携带足够的信息来认证自身质量。
这一方法将验证从依赖统计代理，转变为对逻辑计算保真度本身的认证，是迈向容错量子计算的重要一步——在这一阶段，信任将在逻辑层面得以建立。
Qedma与RIKEN、BlueQubit：Floquet动力学中的量子优势
与此同时，Qedma的研究人员与RIKEN和BlueQubit合作，研究了Floquet动力学——即相互作用量子系统对重复能量脉冲的响应方式。
利用最多74量子比特的电路，研究团队追踪了系统磁化强度随时间的演变，并观测到持续振荡现象。而使用RIKEN世界顶级超级计算机运行的两种最先进经典模拟方法，均未能观测到这一现象。在最具挑战性的区间内，两种经典方法之间出现了相互矛盾的结果，无法提供一致可靠的答案，而量子计算则持续解析出动力学行为。
为在不依赖经典参考的情况下验证目标电路，实验采用了Qedma的QESEM软件，在IBM Quantum系统上同时使用启发式和严格的无偏误差缓解方法。这些独立估算器之间的一致性，加上在Quantinuum系统上部分重复实验所得的一致结果，共同为所观测到的行为反映真实底层物理提供了有力证据。
Algorithmiq：通过验证计算过程建立信任
Algorithmiq的研究人员开发了一种量子算法，用于估算算符Loschmidt回声（OLE）——这是追踪信息在非均匀量子系统中传播方式的关键量。他们的56量子比特实验进入了这样一个区间：至少三个顶级经典模拟团队的方法给出了相互矛盾的预测，且均与量子计算结果不符。
这项工作的核心贡献在于提出了一套策略，说明如何在缺乏可靠经典答案的情况下建立对量子计算的信任。研究人员将相同的启发式误差缓解方法应用于具有不同噪声特征的五台量子计算机，并获得了一致的结果，使量子计算成为所有候选方法中最具可信度的描述。
研究人员进一步超越了一致性校验，展示了当设备噪声的精确模型可用时，严格的误差缓解方法如何生成具有量化误差区间的无偏估计。这重新定义了验证问题：与其追问经典计算机能否复现量子结果，不如转而验证用于描述和消除量子计算机误差的模型本身。
量子优势追踪器：持续推进的公开评估
宣布量子优势并不意味着案例已经盖棺定论——它只是将结果推向了更高级别的审视。
去年，一个由经典与量子计算组织联合发起的项目推出了"量子优势追踪器"，旨在帮助学术界监测量子优势的有力候选案例，并系统评估其与最优经典方法的差距。自上线以来，该追踪器已引发富有成效的讨论，推动了经典与量子计算能力边界的不断拓展。上述三项实验与其他优势候选案例共同列于追踪器中，供更广泛的学术界进一步检验。
目前，追踪器收录的候选方案还包括Q-CTRL、BlueQubit和比拉理工学院的提交内容。随着学术界持续推进基准测试，相关讨论预计将不断深化。
归根结底，知道自己能够信任所用的计算工具，是建立基础真理的前提。量子计算机是科学发现的工具——要实现这一目标，我们必须信任它的输出。如今，我们正步入一个新时代：量子计算不仅能够产出经典计算机无法获得的结果，还能确保这些输出是可信的。
Q&A
Q1：掺杂Clifford采样是什么，它如何解决量子计算的验证问题？
A：掺杂Clifford采样是IBM与芝加哥大学提出的一种结构化量子采样方法。它通过在可高效经典模拟的Clifford电路中策略性地引入T门，使计算在经典层面变得困难，同时保留了用于误差检测的结构。结合时空码，研究人员可以推导出逻辑计算保真度的严格下界，使验证成为计算框架本身的一部分，而非依赖事后的统计代理指标。
Q2：Qedma的实验如何在没有经典参考答案的情况下验证量子计算结果？
A：Qedma在IBM Quantum系统上使用QESEM软件，同时采用启发式和严格无偏两种误差缓解方法对同一电路进行估算。两种独立方法给出一致结果，同时在Quantinuum系统上的部分重复实验也与之吻合。这种跨方法、跨硬件平台的一致性，为量子结果反映真实物理行为提供了有力证据，即便经典模拟无法给出可靠答案。
Q3：量子优势追踪器是什么，有什么作用？
A：量子优势追踪器是由经典与量子计算组织联合推出的公开评估工具，用于系统追踪量子优势候选案例，并将其与最优经典方法进行对比评估。它为学术界提供了一个持续讨论和基准测试的平台，推动双方不断突破各自的能力边界。目前已收录来自IBM、Qedma、Algorithmiq、Q-CTRL、BlueQubit及比拉理工学院等机构的候选成果。
