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谷歌AI自主攻克量子算法优化难题,成本砍掉九成,还能自证无误

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在新药研发、电池材料和核聚变能源等领域,研究者普遍认为,规模足够大、运行足够可靠的量子计算机有望做到传统计算机做不到的事。

但现实是,目前的量子芯片规模小、错误率高,必须经过纠错才能可靠地完成长时间的计算。谷歌目前的 Willow 芯片只有 105 个量子比特,而公司的目标是在 2029 年前后造出一台“有用的、经过纠错的量子计算机”,这样一台机器大约需要 100 万个物理量子比特。

硬件之外,算法的进展同样关键,算法越省资源,硬件需要达到的规模就越小,量子计算机派上用场的那一天也就来得越早。可机器还没造出来,研究者即便写出了量子算法,也没有机器可以运行;量子比特一多,模拟所需的计算量急剧膨胀,很难再用普通计算机模拟检验。因此过去,一个量子算法的改进往往要靠专家花上多年时间手工推导。

近日,谷歌 DeepMind 联合谷歌量子人工智能团队(Google Quantum AI)在预印本平台 arXiv 发表论文,介绍了一种新的做法:程序没法运行,那就用数学证明它是对的。

他们让多支由 AI 代理组成的团队编写量子程序,每个程序都必须由机器逐步核验,既要证明是否算对,也要证明消耗了多少资源。在核聚变、光化学和药物代谢三个科学模拟问题的验证中,AI 代理找到的程序都比此前的最优方案更省资源,降幅最大的一项省下了约九成。


(来源:arXiv)

从测试到证明

近期不少团队都在尝试让 AI 帮忙设计量子算法,思路大多很直观:AI 提出方案,由普通计算机检验方案对不对、开销多大,AI 再据此改进。

10 月中旬,哈佛大学(Harvard University)、Anthropic 和量子计算公司 QuEra 的研究者发布预印本论文,用 Claude Mythos 5 模型在 8 个电路设计任务中的 7 个上降低了所需的量子比特和运算量。10 月 21 日,谷歌量子人工智能团队在数据科学竞赛平台 Kaggle 上发起了奖金池 15 万美元的竞赛,邀请外界用 AI 压缩核聚变、组合优化和化学模拟中的关键电路。

这种策略成立的前提,是设计方案能在普通计算机上检验。因此,两项工作都把搜索限制在一类特殊电路中,电路的行为可以由普通计算机快速抽样测试,但抽样无法严格保证正确,而且,大量实用的量子算法写不进这类电路,一旦超出范围,经典计算机也无从检验。

但数学证明可以绕开这道限制,它能确保程序对所有可能的输入都成立,而且全程不需要真的运行程序。不过,证明同样可能出错,过去要靠专家逐行审读,近两年,随着 AI 生成的代码和证明越来越多,定理证明工具 Lean 的广泛使用改变了这一点。

Lean 兼具编程语言和证明检查的功能,用户可以用它写程序,也可以写关于程序的数学论证,内容会受到可信内核的逐步核验,任何一步推不通,整个证明就不成立。谷歌的最新成果,正试图将这套方法搬进量子程序设计。

团队先在 Lean 中搭建了一套量子编程库,程序可以像真实的量子算法一样,根据中途的测量结果选择接下来的执行路径,并严格算出一个程序消耗的资源。

在这套库里,研究者负责出题,每个问题被写成一份 Lean 文件,其中包括合格规则、计算误差范围等限定条件,由谷歌 Gemini 4 系列模型驱动的 AI 代理自主填写程序、成本数字和具体证明。如果 Lean 接受了 AI 上传的文件,题目就算解决;如果不被接受,AI 会收到报错信息,继续修改直到通过为止。

团队还组建了 7 支结构各不相同的代理团队,有的“单兵作战”,由一个代理反复修改同一个方案;有的分层分工,不同代理分别负责设计子程序、分析误差和编写证明。

AI 代理之间可以通过“榜单”和“学术会议”开展交流。共享维基会记录每个问题当前最好的已验证方案、可以复用的证明片段,以及走通和走不通的思路,新方案要经过独立复核,且比原纪录至少好 5% 才能上榜;另一种是每 4 小时举行一次的“会议”,各团队在共享论坛上提出想法、互相挑错。不过,会议产生的想法只有写成证明并发布到维基,其他团队才可以拿来复用。

这种协作同样依赖证明运转:每个结果都经过机器核验,一支团队可以直接在另一支团队的程序上继续工作,不必反复花时间验证。例如,在光化学模拟问题上,不同团队先后提出了多种领先方案,单次最大改进削减了 34% 的成本,它最初是一支团队在会议上提出的设想,由另一支团队完善并完成证明。团队统计,在论文展示的三个科学问题中,平均约四成改进都来自团队之间的交流。

让 AI 自己写证明,还得防着它在题目上动手脚、钻空子。能改写文件的代理有时会悄悄放宽定理的表述,或者加一条会让 Lean 无条件接受的公理(axiom),假装已经解决了题目。

研究团队为此在外部设置了独立的核验程序,确认题目与最初冻结的版本一致、证明没有借助额外的假设。不过,由于证明只能保证程序满足题目的要求,题目写得不对,证明也无能为力。论文提到,曾有代理钻了成本计数规则的空子,电路没有实质改进,成本数字却变低了,最后只能改写题目。

压缩后的程序离硬件还有多远?

论文显示,AI 代理在一个基础运算上取得了降幅最大的成果:在量子叠加态中计算反正弦函数是把数值载入量子态的常用步骤,而 AI 代理给出的方案是目前已发表最优方案成本的 1/290。

相比之下,在论文中演示的三个科学模拟问题,所需程序都要用到数百乃至数千个逻辑量子比特(logical qubit,经过纠错保护的量子比特),无法用经典计算机检验,只能借助证明确认其正确性。


(来源:arXiv)

其中,核聚变问题研究的是惯性约束聚变(inertial confinement fusion)中,燃料能否吸收足够多由聚变反应产生的能量,从而让燃烧持续下去。AI 代理的新程序把成本降到此前最优方案的约 9%,所需的逻辑量子比特也从 5,650 个减少到 4,374 个。其中一处改进使用了一个低成本的计算步骤,它在三个及以上电子处于同一位置时会算错,但 Lean 证明这种情况在物理上不会出现,确认可以安全使用。

光化学问题要求模拟一个分子在光驱动反应中的短时变化,这类过程与太阳能转化有关。计算时需要同时考虑电子和原子核的量子行为,比常规的化学计算复杂得多。AI 代理设计的新程序将成本压缩至原先的 1/8 左右。

在生物学领域,人体代谢大多数药物都依赖一个名为细胞色素 P450(cytochrome P450)的酶家族,现有的近似计算方法难以准确算出它在反应过程中的关键能量。新程序降低了 60% 的成本,而这种节省主要来自一种此前被认为效果略差的编码方式。

这项研究还存在明显局限,演示的结果都是资源估算,程序并未在真实的量子计算机上运行过。即便经过压缩,上述的药物代谢问题仍需一台执行约 1 万亿次逻辑运算的容错量子计算机才能完成,核聚变和光化学问题所需的机器还要更大。据论文估计,第一批容错量子计算机大约只能执行 100 万次逻辑运算。

团队表示将很快公开 Lean 库、题目和验证后的程序,在此之前,外界还无法独立检查这些证明。

谷歌 DeepMind 在 7 月发表的一份政策文章中提出,AI 代理提出科学设想的速度已经超过了验证这些设想的速度,验证正在成为科研的新瓶颈。

在量子算法领域,这个问题更加突出,能够运行这些程序的机器尚未问世,实验验证无从谈起。谷歌团队的做法是用数学证明代替实验,让 AI 在给出方案的同时完成验证,研究者的工作则转向选择问题、编写准确反映物理条件的题目,并解读 AI 给出的结果。

按照这样的分工,量子算法研究或有望在硬件成熟前先行推进。

参考内容:

https://arxiv.org/abs/2611.09822

https://arxiv.org/abs/2610.22367

https://opensource.googleblog.com/2026/10/announcing-verifiable-quantum-circuit-compilation-competition-on-kaggle.html

https://deepmind.google/public-policy/conjecture-machines-ai-agents-and-the-new-validation-bottleneck-in-science/

https://www.insidequantumtechnology.com/?p=12317

https://heise.de/-10192990

运营/排版:何晨龙

注:封面/首图由 AI 辅助生成

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