19 秒采样 100 万次：BlueQubit 用 IBM 量子处理器挑战超算 110 年任务

美国的 BlueQubit 团队借来 IBM 新出的 Nighthawk r2，用这台超导量子处理器做了一次随机量子线路采样实验，结果只花 19 秒就产出 100 万个样本。研究团队估计，若改用 Frontier 超算来复现同样的任务，大约要 110 年。

这项实验由 BlueQubit 内研究理论凝聚态物理的学者 Tigran·Sedrakyan 牵头。这台 Nighthawk r2 属于超导量子处理器，量子比特数量为 120，能借 IBM 云平台访问。研究团队从中挑出 61 个量子比特，让它们跑复杂度逐步提升的随机量子线路，周期数最多跑到 40，最终把配置定在周期数 36、双量子比特门 918 个这个点上作为平衡。

关键在于，量子处理器快速产生的并不是一堆随机的 0 和 1，而是必须符合特定量子线路所对应的概率分布，这恰恰是经典计算机难以复现的部分。为了估出经典计算机做同一件事要多少算力，团队搬来张量网络收缩方法，算下来要再现这 100 万组样本，大约得跑 1.2 乘以 10 的 27 次方次计算操作。以峰值性能超过每秒 10 的 18 次方次运算的 Frontier 为参考，再按团队采用的持续性能去估，同样的事大约要 110 年。

研究人员强调，110 年这个数字建立在特定经典模拟算法与相关假设之上，并非经典计算机完成任务的理论上限。为验证量子处理器给出的结果，团队还用了两种交叉验证方法：其一是构建经过裁剪的量子线路，把 61 个量子比特拆成三到四个较小系统，让经典计算机精确模拟部分线路，再评估完整实验；另一条路是镜像线路：让量子处理器先做一组操作，紧接着做完全相反的操作，理想运行下最终状态应回到初始状态，偏离程度可以反映噪声与错误的累积。随着线路深度增加，两种方法给出的结果仍较为接近。

在 36 个周期条件下，剩余量子信号保留下来的保真度大约在 0.23%。这个数字不能直接当成传统意义上的正确率来看，因为采样过程中，大量量子信息会被噪声慢慢抹去，实验想确认的，是理想的量子概率分布还留下多少可测量的痕迹。

硬件设计也帮助压缩了实验时间。对比 IBM 上一代的 Heron，Nighthawk r2 用上了专用复位机制，能主动把量子比特里的能量释放掉，把两次实验之间的等待压到最低约 1 微秒。据 IBM 数据，这台机器每秒能跑超过 10 万个量子线路，Heron 则约为每秒 4000 个。

值得一提的是，类似情况此前也出现过。谷歌在 2019 年那次 Sycamore 实验里也曾估算，经典超算完成对应任务要花约 1 万年，但之后经典计算领域冒出了更高效的模拟方法，把时间大幅压缩了。因此量子优势并不是一个固定指标，而是随量子硬件与经典算法的演进不断改写。这次实验的价值在于，这类量子优势测试并非依赖实验室里的专用设备，而是在能通过云平台访问的商用量子处理器上跑完，研究团队还公开了实验线路、样本与分析代码供复现。这里要说清楚，随机量子线路采样本身并非面向实际生产应用，而是一个专门用来衡量量子计算机实力的基准测试，相关研究目前以预印本形式发布，尚未经过同行评审。

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