量子优势、量子霸权与量子实用性：这些词是什么意思

量子计算报道中反复出现三个说法：量子霸权、量子优势和量子实用性。它们有时被当作同义词，有时被当作进步的阶梯。其实两者都不是。它们来自不同的论文和报告，做的是不同的比较，而且都可以被严谨地使用，也可以被随意地使用。

本指南解释这些词从何而来、一项负责任的说法需要明确什么，以及如何把它们与量子比特和纠错等更基础的概念放在一起阅读。它与我们关于如何解读量子计算发布的检查清单配套。

量子霸权

John Preskill 在 2012 年的一次报告中提出了“quantum supremacy”（量子霸权）一词，该报告后来以“Quantum computing and the entanglement frontier”为题公开发表。他用这个词指代人们期待的那一刻：一个受到良好控制的量子系统能够完成超出普通数字计算机能力的任务。在那次报告中，一次令人信服的霸权演示并不需要解决有用的工业问题。它可以是一项人为设计的任务，之所以被选中，是因为它难以用经典方法模拟，又能在近期硬件上运行。

这个含义——量子设备完成了某件事，逼近或超出了可行的经典模拟，而不一定是有人愿意花钱去计算的事——就是在研究文献中固定下来的含义。

最著名的说法出现在 2019 年 10 月，Google 及其合作者在 Nature 上发表了“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”。他们报告了在 53 量子比特的 Sycamore 处理器上进行的随机电路采样实验，并估计其量子设备约 200 秒完成的任务，最先进的超级计算机大约需要 1 万年。这些数字是作者的估计，而不是自然界的普适常数：它们取决于如何对经典模拟进行建模。

IBM 的研究人员公开回应，其中包括一篇题为“On ‘quantum supremacy’”的博客文章，认为更周密的经典模拟——尤其是更好地利用二级存储的模拟——可以在几天而不是几千年内完成同样的采样任务。分歧并不在于 Sycamore 是否运行了一个困难的电路，而在于当经典算法和机器模型被设定得更宽松时，“超出经典计算机能力范围”究竟意味着什么。

这场交锋成为解读此后所有霸权类说法的模板：说明任务，说明量子设备，说明经典基线，并预期随着经典算法的改进，基线会发生变化。

量子优势

“量子优势”有两种相互重叠的用法，这正是它引起困扰的原因。

在一种用法中，它是霸权的温和同义词：在一项定义明确的任务上，量子计算机胜过经典计算机。有些研究人员更喜欢“advantage”，因为英语中的“supremacy”带有与物理学毫无关系的政治色彩。当一篇论文说它出于这个原因避免使用 supremacy 一词时，它通常仍是在谈论计算上的比较，而不是说某个产品总体上优于经典计算机。

在另一种用法中，“advantage”专指在人们本来就关心的问题上——化学、材料、优化、密码学——实现的加速（或成本、能耗方面的改进），而不是在为比较而设计的采样任务上。按照这种更严格的用法，随机电路采样实验可以算作霸权，却不算优势。

除非发布说明了拿什么与什么比较，否则你无法判断它指的是哪种含义。只写着“实现量子优势”的标题是不完整的。

量子实用性

“实用性”一词的广泛流行，始于 2023 年 IBM 及其学术合作伙伴的 Youngseok Kim、Andrew Eddins、Abhinav Kandala 等人在 Nature 上发表的论文“Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”。该实验在一台含噪声的 127 量子比特超导处理器上运行电路，其中包括多达 60 层双量子比特门的电路（在他们重点展示的最大案例中有 2,880 个 CNOT 门）。作者认为，他们能够在超出暴力经典计算的规模上测得准确的期望值，而且在强纠缠区域，即便一些领先的近似经典方法（包括某些张量网络方法）失效，他们的结果依然可靠。

论文本身直接引出两点提醒。第一，作者把这一结果表述为容错时代之前实用性的证据——是探索近期方法的基础——而不是声称某个商业应用如今已胜过所有经典求解器。第二，他们是与特定的经典技术进行比较（在暴力模拟仍适用之处与之比较，在不适用之处与具名的近似方法比较）。后来的经典算法可能缩小甚至消除这一差距，正如经典模拟工作回应了 2019 年霸权比较的部分内容一样。

在较宽松的营销语言中，“实用性”有时被引申为“客户正从我们的量子系统中获得价值”。这或许是一个合理的商业表述，但它与 2023 年那篇论文所说的不是一回事。

这些词与 NISQ 和容错的关系

Preskill 后来关于 NISQ 的文章（2018 年）描述了这样一个时代：设备拥有几十到几百个含噪声的量子比特，足以运行难以模拟的实验，引人关注，但尚未受到完整容错纠错的保护。霸权类采样实验自然属于这个时代：它们问的是，一台含噪声的设备能否在量身定制的任务上胜过经典模拟。

教科书中讨论的那类有用的大规模算法，通常假定有一台容错机器，其中逻辑量子比特和逻辑门足够可靠，可以运行深层电路。这是与霸权、优势或实用性不同的里程碑。一个团队可以在不宣称优势的情况下报告纠错进展，也可以在没有逻辑量子比特的情况下报告霸权类实验。

把这些层次混为一谈——“我们演示了霸权，所以有用的算法已经到来”——是大众报道中最常见的跳跃。实验论文本身很少做出这种跳跃。

适用于三种说法的阅读测试

无论发布选用哪个词，同样的问题都适用：

• 任务。给定了什么输入，产生了什么输出，为什么这个输出用经典方法难以得到？
• 量子设备。多少个量子比特，哪种技术路线，电路深度多少，使用了什么错误缓解或纠错手段？
• 经典基线。哪种算法，哪台机器，多少时间和内存，实现方案由谁选择——量子团队，还是独立的经典计算团队？
• 验证。当问题大到无法精确模拟时，如何知道量子输出是正确的？
• 说法的稳定性。后来的经典方法是否已经缩小了差距？即使原实验没有任何错误，霸权和优势的说法也可能缩水。
• 有用性。这项任务是实验之外的用户希望解决的问题，还是为比较而构造的基准？

如果这些答案在论文或技术博客中都有，标题里的那个词就没那么重要。如果没有，标题里的那个词也无法替它们作答。

DesignQuantum^™ 如何使用这些术语

在新闻报道中，我们倾向于用发布团队自己的、注明出处的话，复述他们实际所做的比较，然后链接到论文或文章。只有在清楚所指的是哪种比较时，我们才会以自己的口吻使用“霸权”“优势”或“实用性”。当一份新闻稿使用这些词却没有给出比较时，我们会把它视为发言者的说法，而不是我们独立评估过的结果。

术语还会不断变化。不应改变的是这样一个要求：任何计算方面的说法都要说明其任务和基线。