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这一领域，再现“量子优势”！
3月1日，D-Wave Quantum公司在模拟非平衡磁自旋动力学方面证明了量子计算的优越性，标志着该领域取得了重大进展，这是一个里程碑。
这一突破在一篇题为“量子模拟中的计算优势”（Computational supremacy in quantum simulation）的科学论文中进行了分享，该论文目前可在arXiv预印本服务器上预览，并正在等待同行评审。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2403.00910
在著名社交网站X上，D-Wave的CEO艾伦·巴拉兹（Alan Baratz）骄傲地表示：“我们相信，D-Wave现在是世界上第一家在实际问题上证明‘量子优越性’（quantum supremacy）的公司。”
这一进展不仅是技术上的胜利，而且为各行各业的研究和实际应用开辟了新的途径。电子、可再生能源甚至制药等严重依赖磁性材料和现象的行业，都将从磁自旋动力学模拟的进步中大大受益。这一突破可能带来更高效的能源解决方案、具有定制特性的新材料，以及加速药物发现过程。
早在去年，D-Wave发表在Nature的论文，展示了其5000量子比特的Advantage™量子计算机在解决3D自旋玻璃优化问题（一类复杂的优化问题）上明显快于经典计算——这表明了在特定类型的优化问题上量子计算的速度优势。
而此次成就更进一步地在实际应用中展现了“量子优势”。在全球即将迎来计算新时代之际，D-Wave在这个关键的现实问题上展示了量子计算的性能优势，凸显了量子技术的变革潜力。
量子计算机与传统计算机不同，它利用量子比特，这些量子比特能同时处于0和1的状态。这一独特特性使量子计算机在处理某些特定类型的问题时（如大数的质因数分解和数据库搜索）显示出潜在的速度优势。
量子模拟，作为量子计算的一个重要分支，专注于运用量子计算机模拟复杂量子系统。这对物理、化学及材料科学等领域至关重要，因为许多自然现象本质上是量子的，而传统方法模拟这些现象通常非常困难或不可行。通过量子模拟，科学家能够探究新型材料的特性、理解复杂分子的化学反应，甚至揭示宇宙的基本法则。
量子模拟的概念最初源于理查德·费曼在1982年提出的一个想法，即用量子计算机模拟自然界的量子系统。由于量子系统的复杂性，传统计算机在模拟这些系统时遇到巨大的挑战。随着量子物理学的发展，量子模拟已逐渐成为研究复杂量子现象的有力工具。从最初的理论概念到现实中的量子计算机实现，量子模拟已经走过了数十年的发展历程。
此外，近年来量子计算和量子模拟的进展为解决传统计算难以处理的优化和算法问题提供了新方法。例如，量子退火（Quantum Annealing）是一种利用量子隧穿效应寻找全局最优解的技术，已被应用于解决复杂的优化问题。
随着量子技术的不断进步，我们正逐步接近实现量子计算的商业化，这无疑将开启科研和技术创新的新篇章。然而，这一领域仍面临诸多挑战，包括如何高效制造和控制大量量子比特，以及如何应对量子退相干等问题。尽管如此，随着研究的深入和技术的进步，量子计算和量子模拟有望在不远的将来带来革命性的变革。
虽然量子退火并不像量子计算机那般广泛适用，但其在短期内极具潜力：这主要是因为它在本质上对噪声具有较高的“弹性”。
为达成此目标，研究小组采用了两种D-Wave量子退火处理器：更先进的原型机Advantage2™（ADV2）和广泛使用的Advantage™（ADV1）。在12毫开的低温环境中运作，ADV2处理器不仅采用了更低噪音的制造工艺，还拥有与ADV1不同的量子比特连接设计。
这些处理器通过射频超导量子干涉仪（rf-SQUID）通量量子比特模拟出理想的自旋-1/2粒子，这是横场伊辛模型（TFIM）的关键组成部分。每个量子退火处理器都有其独特的退火时间表，包括随时间变化的横向（x轴基）和纵向（z轴基）能量尺度Γ(s) 和 J(s)。
在先前的研究中，科学家们已详细建模了有效的多体量子比特哈密顿量，并将其映射到ADV1的TFIM时间表上。
利用这些尖端量子退火处理器，研究旨在展示量子退火在模拟复杂磁性自旋系统（特别是非平衡动力学过程）方面的计算优势。与传统计算方法相比，量子退火技术在模拟这些系统时表现出显著的计算上的优越性。
研究结果充分证明了量子退火处理器在模拟复杂系统方面的重大计算优势。研究小组使用超导量子退火处理器成功模拟了量子相变过程中磁性自旋系统的非平衡动力学，生成的样本快速且高度符合薛定谔方程的解。
此外，研究还在二维、三维和无限维自旋玻璃模型中展示了量子退火模型的区域律（area-law）纠缠比例关系，支持了传统方法使用的拉伸指数函数（stretched-exponential）计算成本比例。
经评估，在可接受的时间范围内，目前没有已知方法能够达到量子退火机的准确度。因此，量子退火技术能够有效解决传统计算机难以处理的实际重大问题。
D-Wave团队在论文中指出：“这些发现突显了量子模拟在处理大规模系统和复杂计算问题方面相对于传统模拟方法的明显优势。通过量子退火技术，我们能够在较短的时间内高效模拟复杂的量子系统，这是传统计算框架难以实现的。”
D-wave，一家成立于1999年的创新企业，是首家推出量子退火方法实现量子计算的公司。2011年，它推出了全球首款商用量子退火机，拥有128个量子比特，售价约1亿美元。到了2019年2月，D-Wave宣布推出Pegasus——一个由5000个低噪声量子比特构成的先进量子处理器芯片。
已知的量子退火处理器主要分为两种类型：(a)稀疏模型，具有邻近自旋-自旋耦合（量子退火机），和(b)完全耦合模型，所有自旋-自旋均相互作用（受量子启发的CMOS型退火机）——D-Wave此次的技术主要归属于第一类。
此次实验中，研究团队成功展示了量子退火处理器在模拟非平衡磁性自旋动力学方面的显著计算优势，彰显了其在量子模拟领域的计算“霸权”。
实验中不仅模拟了方形、立方体、金刚石和双团块等拓扑结构，这些结构与材料科学和人工智能领域的应用息息相关，还可以通过纠缠面积定律和普适量子临界尺度进行深入分析和扩展。此外，更具挑战性的不规则拓扑结构，例如与深度神经网络相对应的结构，也可通过相同的量子退火处理器（QPU）进行模拟。
这意味着，在非平衡量子动力学研究方面的优势超越了经典动力学模拟的能力，为在模拟和人工智能领域实现量子优势铺平了道路，有望解决一些以往无法解答的科学问题，及一些传统计算无法实现的应用。
虽然围绕量子计算（QC）未来的讨论中保持谨慎和实事求是很重要，但同时也不能忽视它目前在近期应用方面所展现的激动人心的进展。