明天我要去伯克利参加Inkhaven 博客驻留项目，参与者必须每天写一篇博文，否则就会被淘汰。我将以一位资深博主的身份（值得一提的是，我的博客Shtetl-Optimized已经运营了二十年）分享我的“智慧”。我深知其中的讽刺意味，因为我自己现在连每隔一周更新一篇博文都勉强才能做到。
而且，这并非意味着本博客的传统领域——量子计算——就风平浪静！事实上，情况恰恰相反：发生的事情太多，我根本无暇顾及。大家以为我是谁，兹维·莫肖维茨吗？光是想到要面面俱到、负责任地掌握所有最新的量子计算进展，就让我只想蜷缩在床上，要么刷刷政治相关的Substacks，要么就睡个午觉。
但是，你知道，最终还是会写出一篇文章的。让我来简单介绍一下QC领域的新动态，如果我年轻二十岁，其中任何一个细节都足以单独成文。
（1）谷歌宣布了基于非时序关联器（OTOC）的可验证量子优势——这项成果实际上早在六月份就已公布，但随着谷歌对其解释的深入，它受到了越来越多的关注。尤其值得一提的是King、Kothari等人最近撰写的这篇两页的笔记，其中用理论计算机科学的语言解释了谷歌的实验。简而言之，他们的做法是从全|0⟩态开始，依次应用一个随机电路C，然后应用一个门g，接着应用C -1 ，再应用另一个门h，再次应用C，再次应用g，再次应用C -1 ，最后测量一个量子比特。如果C较浅，则该量子比特很可能仍然处于|0⟩态。如果C过深，则该量子比特很可能处于最大混合态，与初始态完全不相关——门g和h导致了“蝴蝶效应”，彻底破坏了C和C -1之间的所有抵消作用。谷歌声称，根据经验，存在一个中间状态，在这个状态下，量子比特既不是|0⟩态，也不是最大混合态，而是第三种状态——这种第三种状态似乎很难用经典方法确定，无论是使用张量网络算法还是他们尝试过的任何其他方法，但当然可以通过运行量子计算机来确定。关键在于，因为我们在这里只是试图估计几个参数，而不是像之前的量子霸权实验那样从概率分布中采样，所以可以通过将其与另一台量子计算机的输出进行比较来验证输出，即使这个问题仍然不是NP问题。顺便一提，如果你好奇为什么他们多次在C和C -1之间来回切换，而不是只切换一次，那是因为他们要格外确信不存在快速的经典模拟。当然，最终可能确实存在快速的经典模拟，但如果真是这样，那就需要一个新的思路：这无疑是一个挑战。
(2) 位于科罗拉多州的囚禁离子量子计算机初创公司 Quantinuum发布了其 Helios 处理器。简要规格概述：98 个量子比特，全对全 2 量子比特门保真度高达 99.92%，能够“即时”选择要应用的门（无需像之前的 API 那样预先固定整个电路），以及用于双向路由量子比特的“X”形连接（可扩展的囚禁离子量子计算机需要大量此类连接）。这将使量子优势的演示更加丰富和出色，并且目前已经开始实现这一目标。
(3) Quantinuum 和摩根大通宣布，他们演示了我和 Shih-Han-Hung 的协议的改进版本，该协议用于生成经过密码学认证的随机比特，并利用基于随机电路采样的量子霸权实验进行验证。他们的演示是在 Quantinuum 的新型 Helios 处理器上完成的。与之前的演示相比，这项新创新之处在于将电路逐层发送到量子计算机，而不是一次性发送（Quantinuum 的新 API 也支持这一点）。其原理是，试图确定性地伪造随机性的作弊服务器现在时间大大减少：使用目前最具竞争力的已知方法（例如，基于张量网络收缩的方法），作弊者似乎只有在获知最后一层逻辑门后才能采取行动，因此现在只有几毫秒的时间来伪造随机性，而不是几秒，这使得互联网延迟成为实际中伪造时间的主要来源。虽然目前还缺乏对新协议（或者更广泛地说，对类似“逐层”量子霸权协议）的复杂性理论分析，但我非常喜欢这个想法。
(4) 初创公司 BlueQubit宣布，他们利用混淆的峰值随机电路，在 Quantinuum 囚禁离子处理器（而非 Helios）上，成功演示了可验证的量子霸权。BlueQubit 的这一举措，正是遵循了我和张宇轩去年制定的方案：生成一个量子电路 C，该电路对于任何高效的经典算法而言都看似随机，但实际上隐藏着一个高概率输出字符串 x。当在量子计算机上以全 0 初始状态运行 C 时，x 就会出现。为了隐藏 x，BlueQubit 使用了至少三种不同的电路混淆技术，这本身就说明他们对其中任何一种技术都无法完全信任（否则，为什么还要使用另外两种呢？）。尽管如此，我很高兴他们努力尝试破解自己的混淆技术，但最终失败了。现在轮到其他人尝试了。
（5）Deshpande、Fefferman等人提出了一种不同的理论方案，该方案基于纠错码，利用峰值量子电路实现量子优势。这似乎很有吸引力，可以尝试在通往量子容错的道路上进行验证。
（6）一项重大成果：John Bostanci、Jonas Haferkamp、Chinmay Nirkhe 和 Mark Zhandry宣布证明了复杂度类 QMA 和 QCMA 之间存在经典预言机分离，他们为此已研究了一年多。他们的候选问题本质上是我提出的 Forrelation 问题的 QMA 化版本，Raz 和 Tal 之前曾利用该问题证明了 BQP 和 PH 之间的预言机分离。需要注意的是，他们的论文长达 91 页，尚未经过独立专家的审查，而且过去也曾有人针对这个问题进行过严重的失败尝试。然而，如果这一证明成立，它将最终解决一个自 2002 年以来一直悬而未决的问题（我从 2002 年起就一直在研究这个问题），并有力地证明了量子证明比经典证明更强大。请注意，2006 年，我和 Greg Kuperberg 提出了量子预言机的概念，将 QMA 和 QCMA 区分开来——为了实现这一结果，我们引入了量子预言机的概念——从那以后，人们一直在努力使预言机“更加经典”，但预言机始终是随机的或“原地”的，或者对其查询方式有所限制。
(7) Oxford Ionics（现已被 IonQ 收购）宣布实现了保真度高达 99.99% 的双量子比特门：这不仅创下了纪录，而且远远超过了量子容错的阈值。然而，据我所知，目前仍需在包含数十个量子比特和数百个量子门的大型可编程系统中验证这种保真度。
（8）半公开消息： 《量子力学》杂志报道了“物理学家将虚数从量子力学中剔除”，这篇文章似乎在我的社交媒体上迅速传播开来。文章错失了解释“剔除虚数”其实很简单的机会，只需将每个复振幅称为“一对有序实数，遵循某些规则，而这些规则恰好与复数的规则相似”。因此，这里唯一有趣的问题是，我们能否以各种或多或少“自然”的方式从量子力学中剔除虚数：这是近期论文推动的一场技术性辩论。就我个人而言，我不认为这项研究的成果会“自然”到让我停止在本科课堂上用复数来解释量子力学。
（9）将于1月24日至30日在拉脱维亚里加举行的年度QIP会议的已接受演讲名单现已公布。一如既往，有很多精彩的内容。
（10）质量控制领域可能还有其他一些近期重大进展我应该写进这篇文章里，但我忘记了。欢迎在评论区提醒我。
总结最重要的进展：
- 越来越多的证据表明，我们并非生活在吉尔·卡莱和其他量子计算怀疑论者的设想世界里。事实上，鉴于目前硬件发展速度惊人，我认为在下届美国总统大选之前，我们完全有可能拥有一台能够运行肖尔算法的容错量子计算机。我这么说，不仅仅是因为下届美国总统大选有可能被取消，或者被失控的超级智能所干扰！
- 好吧，但这些量子计算机究竟有什么用呢？过去二十年来一直关注本博客的读者，或者至少有相当一部分时间阅读过的人，想必对此已经有所了解，所以我就不多赘述了。简单来说：是的，过去三十年来，我们对实用量子算法的认知一直在稳步增长。但关键在于，我们对实用经典算法的认知也在不断扩展，而真正重要的是两者之间的差异！我认为，量子计算机目前已知的两大应用领域仍然是：(a) 量子模拟和 (b) 破解公钥密码，这与三十年前的情况如出一辙。总之，除了认证随机性之外，我在这篇文章中重点介绍的那些令人兴奋的进展，并没有直接回答“它有什么用？”这个问题。
- 在过去三年的讨论中，我一直倡导“在现有硬件上实现可验证的量子霸权”或许是目前量子计算理论面临的核心挑战。（正如我常说的，我们确实知道如何实现以下三个条件中的任意两个：(a) 量子霸权，并且 (b) 可验证，(c) 可在现有硬件上运行！）因此，我很高兴我选择重点介绍的三个最新进展，即 (1)、(4) 和 (5)，都直接针对这一挑战。当然，我们目前还不确定这三个尝试是否都能成功——也就是说，它们是否能够经受住所有经典模拟的考验。但是，我们越是认真地尝试（而这三个尝试都非常认真），就越有可能至少有一个能够成功！所以我很高兴大家愿意挺身而出，提出这些想法，并坦诚地交流他们对这些想法的了解和未知：这正是我所希望看到的。当然，如果能有比我更年轻、更有活力的人对这些提议进行复杂性理论分析就更好了。现在我该睡觉了。