D-Wave退火量子計算機幾分鐘完成磁性材料模擬，公司稱該成果為全球首次證明量子計算在現實世界實用問題上的優越性

當地時間 3 月 12 日，加拿大量子公司、號稱「全球首家量子計算機商業供應商」的 D-Wave 公司和合作者在 Science 發表論文 [1]，稱其在全球範圍內首次也是唯一一次證明了量子計算在實用的現實世界問題上的優越性。

具體來說，本次研究表明 D-Wave 的 Advantage2 退火量子計算機可以在幾分鐘內完成磁性材料模擬，而使用基於 GPU 集群構建的傳統超級計算機則需要近一百萬年的時間，後者的耗電量超過全球一年的電力消耗。

對可編程自旋玻璃中的量子動力學進行模擬，是一個兼具高商用價值、高科學價值、高計算難度的磁性材料模擬問題。而 D-Wave 和合作者使用 Advantage2 退火量子計算機以及美國能源部橡樹嶺國家實驗室的 Frontier 超級計算機，在幾分鐘內模擬了一系列晶格結構和尺寸在不同演化時間下的行為，並得出了多種重要的材料特性。

D-Wave 的 CEO 艾倫·巴拉茲（Alan Baratz）表示：「所有其他關於量子系統優於經典計算機的說法都存在爭議，或者涉及沒有實際價值的隨機數生成。（而）我們的成就表明 D-Wave 的退火量子計算機能夠解決世界上最強大的超級計算機無法解決的實用問題。」

據瞭解，材料的行為受到量子物理定律的支配。而磁性材料則已被廣泛用於醫學成像、電子、超導體、電網、傳感器和電機等領域。瞭解磁性材料的量子性質對於找到將其用於技術進步的新方法至關重要，這使得材料模擬和材料發現成為領域內的重要研究方向。而在本次研究中，D-Wave 在磁性材料模擬實驗中，使用計算機模型來研究人眼看不見的微小粒子如何針對外部因素作出反應。

材料發現是一項計算複雜、耗能且成本高昂的任務。當今的超級計算機和高性能計算中心由數萬個 GPU 構建而成，但在針對複雜材料模擬進行計算處理時，不僅速度較慢而且十分耗能。幾十年來，科學家一直渴望建造一台能夠解決傳統計算機無法解決的複雜材料模擬問題的量子計算機。而 D-Wave 在量子硬件方面的進步，使其退火量子計算機首次能夠處理此類問題。

這項研究證明，D-Wave 的量子計算機能以可靠方式解決量子動力學問題，從而能夠發現新的材料，並能以幾年前不可能的方式來創造和操縱可編程量子物質。這一成果也為基於模擬器的量子技術打開了大門，助力於解決那些使用傳統計算機所無法解答的科學問題。

日本東京工業大學西森秀稔（Hidetoshi Nishimori）教授表示：「這篇論文標誌著大規模量子計算在現實世界適用性的重要里程碑。通過對量子退火器與最先進的經典方法進行嚴格的基準測試，它令人信服地證明了量子計算在解決實際問題方面的優勢，揭示了其在前所未有的規模上的變革潛力。」

美國麻省理工學院薩夫·勞艾達馬田斯（Seth Lloyd）教授表示：「儘管大規模、完全糾錯的量子計算機還需要幾年時間才能問世，但量子退火器可以探測當今量子系統的特徵。D-Wave 團隊使用大規模量子退火器揭示了複雜量子系統中的糾纏模式，而這些模式遠遠超出了最強大的傳統計算機的能力範圍。這一結果顯示了量子退火器在探索各種系統中奇異量子效應方面的潛力。」

不過，對於本次論文也有同行發表了不同意見。美國紐約大學的德里斯·塞爾斯（Dries Sels）及其同事表示，他們利用一個名為張量網絡的數學領域的方法，在普通筆記本電腦上僅用兩小時就完成了類似的計算。這些網絡本質上減少了模擬所需的數據量，從而大幅削減了運行模擬所需的計算能力[2]。

用量子退火處理器模擬橫場伊辛模型的連續時間量子動力學

此前，幾乎所有關於超經典計算的嘗試都圍繞著隨機數生成展開，無論是通過玻色采樣還是隨機電路采樣。經典模擬方法雖然能夠忠實地複現電路的理想量子演化過程，但是通常需要使用隨問題規模呈指數級增長的時間資源和內存資源。

然而，從經典計算角度複現含噪量子處理器的輸出結果可能要容易得多。也有研究團隊在含噪量子系統的經典模擬方面已經取得了巨大進展。

儘管「量子處理單元能在某些問題上遠超最優經典方法」的這一論斷已無爭議，但尚未在具有實際價值的問題上得到確鑿驗證。曾有研究團隊嘗試通過在橫場伊辛模型離散化動力學中展現量子計算超越經典計算的能力，但是相關主張很快遭到質疑。（註：橫場伊辛模型，是統計物理和量子力學中一個非常重要且經典的模型。）

基於此，D-Wave 著眼於同類型中更具普適性與實用性的問題：使用超導量子退火處理器來模擬橫場伊辛模型的連續時間量子動力學。另外，量子退火技術已被人們用於模擬類伊辛系統中的量子相變，所採用的系統既包括超導量子比特，也包括列特堡原子陣列。

之前，曾有研究團隊在一個包含超過 5000 個量子比特的三維自旋玻璃系統上展示了量子臨界動力學，所測量得到的臨界指數與預期普適類中的估計值高度吻合，這為薛定諤演化提供了有力證據。（註：薛定諤演化，指的是量子系統遵循薛定諤方程所描述的演化過程。）

而在這一規模下，此類演化通常無法用經典方法進行模擬。在此前人們所研究的參數範圍內，儘管相關長度有限並且實驗精度有限，但是仍然有必要證明，近似經典方法在合理的時間內無法達到量子處理單元所能達到的解決方案質量。

因此，本次研究旨在評估在與量子處理單元相當的精度之下，對橫場伊辛模型在經歷量子相變淬火後的狀態進行采樣所需的計算資源。

在量子領域，一維鏈（1D chains）指的是具有線性排列特徵、僅在一個維度上延伸的量子體系。自旋玻璃（spin glasses）是一種具有複雜磁性相互作用的磁性材料，其內部自旋的排列呈現出長程無序的狀態。而超導量子退火處理器已被證實能夠高精度地解決一維鏈和小尺寸自旋玻璃的模擬問題。

在本次研究之中，D-Wave 展示了超導量子退火處理器能夠快速生成與薛定諤方程的解高度吻合的樣本。並證明在二維、三維以及無限維自旋玻璃的模型淬火動力學中，糾纏具有面積定律縮放特性，這支持了矩陣乘積態方法所觀察到的拉伸指數縮放的計算量規律。

本次研究還表明，幾種基於張量網絡和神經網絡的主流近似方法，在合理的時間範圍內無法達到量子退火器所能實現的相同精度。因此，量子退火器能夠回答一些重要的實用型問題，並說明其能力可能超出了經典計算的能力範圍。

已通過實時量子雲服務實現商用

另據悉，本次成果基於 D-Wave 此前在 Nature Physics 和 Nature 所發表論文中的成果，更早之前的這些成果分別從理論上和實驗上證明了量子退火在複雜優化問題中能實現量子加速。（註：在量子領域，複雜優化問題指的是那些具有高度複雜性、涉及眾多變量和約束條件，需要通過尋找最優解或近似最優解來達成特定目標的優化問題。）

用於實現量子計算優越性的 Advantage2 原型機，現已能通過 D-Wave 的 Leap 實時量子雲服務實現商用。目前，該原型機相較於上一代 Advantage 系統在性能上有著顯著提升，包括更高的量子比特相乾性、連接性和能量規模，這使得針對更大、更複雜問題能夠得出質量更高的解決方案。

另據悉，D-Wave 現在擁有一款 Advantage2 處理器，其規模是此次研究中所用原型機的四倍，同時其已將本次論文成果中的模擬範圍從數百個量子比特擴展到數千個量子比特。

量子處理單元已被證明能夠準確采樣多種隨機模型，其微觀特徵、宏觀特徵及標度統計量的預測結果均與真實基態相符，且無需預先獲知基態信息。所以，D-Wave 也希望本次成果能夠促進新型量子模擬數值技術的發展。

另外，領域內正在共同建立對於量子計算可以超越傳統計算的計算類型的理解。對於本次成果來說，也需要對其持續進行嚴格實驗。

D-Wave 的首席開發官特雷弗·蘭廷（Trevor Lanting）公開表示：「這項工作是加深上述理解的重要一步，有明確的證據表明我們的量子計算機能夠超越傳統方法。我們相信傳統方法不可能重現我們產生的整個結果集。我們也鼓勵學術界的同行繼續努力進一步定義量子和經典能力之間的界限。」

瑞士蘇黎世聯邦理工學院祖安·卡拿斯基拉（Juan Carrasquilla）副教授對上述觀點表示讚同，其公開表示：「（本次成果）也是對科學界的一種邀請，因為這些成果為開髮針對量子多體物理中非平衡動力學的新型模擬技術提供了一個強有力的基準和動力。此外，我希望這些發現能夠鼓勵從經典計算和量子力學計算兩方面對於開展此類模擬所涉及的計算難題進行理論探索。」

在大眾眼中，量子技術並不是一項得到廣泛認可的技術。對於 D-Wave 公司來說，它也曾經歷被質疑到被逐漸認可的過程。

從學術爭議到商業落地的艱難跨越

早年，D-Wave 的創始團隊以佐迪·路斯（Geordie Rose）為核心。路斯擁有加拿大不列顛哥倫比亞大學理論物理學博士學位，曾是一名加拿大全國摔跤冠軍，併入選加拿大馬克馬斯特大學體育名人堂。他在大學期間因課程選擇偶然接觸到量子物理領域，最終決定投身量子計算研究。

1999 年，路斯與博士導師及同事共同創立了 D-Wave 公司，並擔任首席技術官。公司名稱「D-Wave」源於早期嘗試使用「D 波超導體」（高溫超導材料）構建量子比特的設想，儘管這一技術路線後來被放棄，但名稱得以保留。

圖｜佐迪·路斯（Geordie Rose）（來源：https://www.linkedin.com/in/geordie-rose-a53abb/?originalSubdomain=ca）

公司成立後，路斯和團隊最初計劃研發通用型量子門模型計算機，但因技術難度過大陷入困境。在美國麻省理工學院教授薩夫·勞艾達馬田斯（Seth Lloyd）和愛德華·法希（Edward Farhi）的建議下，D-Wave 開始轉向量子退火技術路線，專注於解決組合優化問題。

量子退火理論由日本學者西森秀稔和門脅正史於 1998 年提出，但 D-Wave 早期並未獲知這一理論，後通過絕熱量子計算研究實現技術突破。

2007 年，D-Wave 發佈全球首台 16 量子比特的量子退火計算機 Orion，並在位於美國加州的計算機歷史博物館公開展示，但因未實現量子糾纏等技術特徵，遭到學界質疑。

2011 年，D-Wave 推出 128 量子比特的 D-Wave One，宣稱是全球首台商用量子計算機，但爭議持續。同年，D-Wave 在 Nature 發表論文證明其芯片的量子特性，逐漸獲得認可。

目前，D-Wave 已經是一家上市公司，美國軍工巨頭洛克希德·馬田、Google和 NASA 都曾從 D-Wave 購買產品或服務。2024 年，D-Wave 與生成式 AI 公司 Zapata AI 深化合作，雙方集成量子計算與 AI 技術，旨在開發能效更高的模型。

2025 年初，D-Wave 的 CEO 艾倫·巴拉茲公開反駁英偉達 CEO 黃仁勳「量子計算需 15 年成熟」的觀點，強調其退火技術已應用於萬事達卡、N湯臣 等企業。

量子退火機曾被質疑不是「真正量子計算機」，且通用性受限，需與門模型技術互補發展。（註：門模型技術是量子計算領域中一種重要的量子計算架構和技術路線。）與此同時，Google、IBM 等巨頭也在佈局門模型量子計算，因此 D-Wave 需持續證明其應用價值。

總的來說，D-Wave 的發展歷程展現了從學術爭議到商業落地的艱難跨越，其技術路線選擇和市場策略也為量子計算行業提供了獨特範本。但由於其所在領域的特殊性，它可能仍會面臨一些質疑。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6285

2.https://www.newscientist.com/article/2471426-doubts-cast-over-d-waves-claim-of-quantum-computer-supremacy/

運營/排版：何晨龍