推翻“量子霸权”论断，笔记本电脑 + 新算法攻破量子难题

5 月 23 日消息，科技媒体 Phys 于 5 月 21 日发布博文，报道称一台笔记本电脑，就能解决复杂量子动力学问题。

西蒙斯基金会弗拉蒂龙研究所计算量子物理中心携手波士顿大学，于 5 月 21 日在《科学》发表研究，用传统计算机破解了此前被宣称只有量子计算机才能完成的量子动力学模拟任务。

本次研究突破还要追溯到今年 3 月，加拿大 D-Wave Quantum 公司于 3 月 12 日在《Science》发表研究，抛出了“量子霸权”论断。

该公司称其量子退火处理器在数分钟内解出一项复杂现实问题，而经典超级计算机若完整求解，可能需要数百万年，整体能耗甚至高于全球 1 年的用电量。

量子退火是一种面向特定问题的量子计算方法，尤其适合优化与某些模拟任务。它通过让系统逐步逼近最低能量状态来寻找答案。

与通用量子计算不同，量子退火通常不擅长所有计算任务，但在特定问题上可能更高效，因此常被用于组合优化、材料模拟等场景。

这项任务涉及模拟自旋玻璃系统的量子动力学。自旋玻璃可视作一类磁化且无序的材料模型，相关研究与材料科学直接相连，有助于理解磁性材料演化，并服务于新型金属设计。

该任务目标模拟由数百个量子比特组成的系统，由于这些量子比特分布在方形、立方或钻石晶格中，彼此相互作用。

难点在于量子纠缠会把远距离粒子也紧密关联起来，导致描述系统状态的波函数规模随粒子数指数增长，经典计算机很难直接存储，更难高效求解其动力学演化。

不过在这场关键较量中，传统计算机并未出局。来自西蒙斯基金会的科研团队借助 Tensor Network、3D 张量网络和信念传播算法，在较低算力资源下得到高精度结果，部分初始计算甚至可在个人笔记本电脑上完成。

研究人员把它比作波函数的“压缩文件”，可把庞大信息压缩进彼此连接的小型数字表格中，再借助数学结构恢复并计算系统行为。

为处理三维动力学，团队还使用了 3D 张量网络，并结合计算量子物理中心开发的 ITensor 软件库，把原本难以触碰的问题压缩到传统计算机可求解的范围。

这项方法对硬件要求并不夸张。研究初期的许多计算由 Joseph Tindall 直接在个人笔记本电脑上完成。

团队还采用了 1980 年代提出、近年被改造用于量子系统的信念传播算法。虽然它比部分高阶方法更近似，但成本更低，且更适合快速切入大规模、三维、难度高的问题。

结果表明，这些模拟不仅能跑通，而且精度达到当前先进水平。模拟结果与理论预测一致，在较小测试问题上也给出准确答案，同时还与此前量子计算研究团队报告的结果吻合。

附上参考

Quantum Dynamics Breakthrough Overturns Claim of ‘Quantum Supremacy,’ Opens New Research Directions

Quantum supremacy just ran into an unexpected rival: An ordinary laptop armed with new math

Dynamics of disordered quantum systems with two- and three-dimensional tensor networks