从一万年到14.22秒：量子芯片没变，变的是赛道另一边

书接上回。昨日说到：

2019年，谷歌把一项计算任务交给拥有53个量子比特的Sycamore处理器。芯片用了大约两百秒。按照谷歌当时对经典模拟方法的估计，世界上最快的超级计算机完成同样任务可能要一万年。

▲在慕尼黑德意志博物馆展出的谷歌悬铃木（Sycamore）量子芯片。来源：wikipedia

五年后，来自中国多家研究机构的联合团队重算了这笔账。他们改进经典模拟方法，最多调用2304块A100显卡，在保真度0.002的对标条件下，把同一类随机线路采样模拟压到14.22秒，总耗电约2.39千瓦时。

从一万年到十四秒，量子芯片没有发生任何变化。移动的是赛道另一边：经典算法变了，分配给它的硬件也变了。

来回推进的压力测试

Sycamore执行的任务叫随机线路采样。研究人员让一组量子比特连续通过许多层随机选取的量子门，再测量最后得到的比特串。量子芯片按照叠加和干涉规律演化；经典计算机模拟这个过程时，要处理随规模迅速膨胀的状态。

这是一条专门用来测试量子硬件的赛道。它没有直接对应天气预报、药物设计或日常办公。所谓量子计算优越性，是量子设备在一个定义清楚的任务上，超过当时可用的最佳经典方法。Sycamore展示了几十个量子比特可以运行足够复杂的线路，顺便给经典算法研究者立起了一个具体靶子。

此后，经典一方重新安排计算顺序，减少必须保留的中间状态，利用线路中的结构，再把工作拆给更大的GPU集群。2019年的“一万年”本来就是根据当时的算法和硬件作出的估算。方法改变以后，这个数字自然会被改写。

围绕同一条赛道，当时还有另一项名为Leapfrogging Sycamore的研究。它使用1432块A100显卡，最耗时实例约为86.4秒，耗电约13.7千瓦时。这个结果和2304块显卡跑出的14.22秒来自两篇独立论文，硬件规模、模拟方法和成绩不能交叉拼接。两支团队做的是同一件大事：从不同方向缩短经典模拟所需的时间。

经典算法的追赶没有让Sycamore白跑一场。那次实验暴露了量子硬件能够控制到什么规模，也逼出了新的经典模拟方法。这样的标杆更像一场来回推进的压力测试：一边改进量子控制，一边寻找经典计算尚未用尽的余地。

两种体能测试

随机线路采样常见于超导量子计算，光量子实验则可以做高斯玻色采样。研究者把许多压缩光态送进复杂的光学网络，让光子沿不同路径发生干涉，再从输出端取样。光子和模式越多，经典计算完整输出分布就越困难。

2026年5月，中国科大公布“九章四号”。这套装置把1024个压缩态送入8176个模式，探测到最多3050个光子，生成一个样本约需25微秒。按照论文选用的经典算法估算，超级计算机El Capitan完成相应的高斯玻色采样任务需要约10的42次方年。

▲“九章四号”量子计算原型机示意图。来源：新华社

这个惊人的差距只属于那项特定任务。九章四号的1024个压缩态不能直接换算成1024个通用量子比特，因为光量子和超导量子计算使用不同的物理对象与架构。

中国团队也在超导路线开展随机线路采样。祖冲之三号拥有105个可读取量子比特，相关实验使用其中83个量子比特运行32层线路。它和九章四号像两种不同项目的体能测试：一个考验量子门控制与线路深度，一个考验大规模光子干涉。它们测量的能力不同，也都在迫使经典算法重新摸索边界。

对硬件团队来说，标杆还有一项直接用途。实验会暴露光损耗、门错误和控制系统的瓶颈，告诉下一代设备应该从哪里改。速度纪录可能被追平，制造和控制经验不会随之消失。

从跑得快，到答案能核对

采样规模越大，验证越麻烦。量子设备吐出海量比特串，同一个结果未必再次出现；经典计算机既然已经算不动完整分布，也无法逐项检查答案。研究人员通常只能用较小实例、统计指标和设备模型判断实验是否符合预期。

2025年，谷歌在Willow处理器上运行Quantum Echoes实验。量子系统先向前演化，接受一个微小扰动，再尝试反向演化，研究者测量扰动扩散留下的物理量。谷歌报告它比当时最优的经典算法快约1.3万倍，并称之为“可验证的量子计算优越性”。

▲来源：google

这里的变化在输出形式。实验给出的物理量可以重复测量，另一台足够可靠的量子设备原则上也能执行相同实验，再比较数值是否一致。这提供了一条跨设备核验的路径；实际能否得到一致结果，还要交给后续实验。

随着目标从展示采样速度转向运行更长、更有用的算法，记分牌也开始变化。容易受噪声干扰的物理比特，需要共同编码成更可靠的逻辑比特。量子计算公司Quantinuum发布的Helios处理器用98个物理比特编码出48个逻辑比特，在所用低码距编码下，开销约为2比1。这是一项纠错演示，尚未达到完整容错运行。IBM计划在2029年建成拥有200个逻辑比特、可运行一亿个量子门的Starling，但目前仍是一张路线图。

于是，判断量子计算走到哪里，已经不能只看某次采样用了多少秒。任务、精度、验证方式和逻辑比特的可靠性，都在改变计分方法。

1994年，秀尔算法给密码系统留下了一条明确的数学路径：足够大的容错量子计算机可以高效分解大整数。这样的机器还没有造出来，但今天发送的敏感通信却可能被攻击者长期保存，等待未来的计算能力。速度赛场之外，这段等待已经有了一个名字：“先囤后解”。

后续故事，请听明日分解。