量子计算可靠性提升 800 倍！微软开启 2 级弹性量子计算新时代

限制量子计算发展的关键问题，就快被解决了！

对于整个量子生态系统来说，这是一个历史性的时刻。

——近日，微软联合 Quantinuum，向全世界展示了有史以来最可靠的逻辑量子比特。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2404.02280.pdf

通过将微软突破性的量子比特虚拟化系统（具有错误诊断和纠正功能）应用于 Quantinuum 的离子阱硬件，

在 14,000 多次单独实验中，量子计算没有出现任何错误，——相比于使用物理量子比特，可靠性足足提升了 800 倍！

微软 CEO 纳德拉也乐呵呵地宣传了这个成就：

在我们开启可靠量子计算带来的科学和商业进步的道路上，这是一个激动人心的里程碑

研究人员在不破坏逻辑量子比特的情况下，通过对逻辑量子比特进行错误诊断和校正，来实现更可靠的量子计算。

这样的实验成果，也使得量子计算作为一个行业，有史以来第一次从 1 级基础量子计算，迈向 2 级弹性量子计算。

风雨飘摇的量子计算

根据 Pitchbook 的数据，2022 年，涌入量子计算相关公司的投资达到了创纪录的 18 亿美元。

相比于惊人的投资，量子计算的发展却像她本身一样，处于薛定谔的状态。

近期我们也许听闻过大公司撤掉量子计算实验室的消息，但也有诸如 Altman 这样的野心家，希望借助这股神秘的力量来达成 AGI 的终极理想。

事实上，量子计算或许并不应该背这个锅，之所以看起来「骗人又骗钱」，是因为它真的很烧钱。

上图是 IBM 某量子计算芯片的冷却和支持结构，——最下方的黑色小方块是芯片本体，而上面这一坨看上去是既科幻又昂贵。

芯片上一层的环形电缆将其接入控制系统，最上层大量的铜结构承担导热功能，将设备连接到冷却系统。

最终整个系统被冷却到相当低的温度（有时只比绝对零度高一点点），小心翼翼地躲在上面这个白色的绝缘外壳里。

量子计算既高级又脆弱

比如著名的量子搜索算法——Grover’s algorithm，只需 10,000 次操作，就可以在包含 1 亿个名字的电话簿中找到特定的条目，

而传统计算机的经典搜索算法，平均需要 5000 万次操作。

而另一方面，量子计算需要严苛的条件，任何微小的杂散热量或噪声，都可能造成比特翻转，或者消除量子叠加状态。

所以，物理量子比特通常要与环境充分隔离，然而要是真的完全隔离了，那还跟咱有啥关系？

我们的计算至少需要初始化量子比特，还有测量生成的量子态，——这都是会引入噪声和误差的操作。

这些问题导致之前的量子计算一直被困在 NISQ（嘈杂的中级计算机）时代，无法解决噪声问题，也无法扩大规模，真正应用于商业场景。

量子计算新时代

研究团队使用了 Quantinuum 的 H2 离子阱处理器，能够将 30 个物理量子比特，组合成四个高度可靠的逻辑量子比特。

将多个物理量子比特编码为单个逻辑量子比特，有助于保护系统免受错误影响。

物理量子比特纠缠在一起，因此可以检测物理量子比特中的错误，并对其进行修复。

Quantinuum 的 H2 量子处理器

由霍尼韦尔提供支持的 H2 系统模型，是最新一代的量子计算机，具有新的跑道形陷阱。

Quantinuum 的 H2 具有 32 个完全连接的量子比特和全新的架构，可提供 65,536 的量子体积和最大的 GHZ 状态。

Quantinuum 的系统模型 H2 包括许多标志性功能：

- 99.8% 双量子比特门保真度

- 多对多连接

- 带条件逻辑的中间电路测量

研究人员指出，为了超越 NISQ，逻辑和物理量子比特错误率之间的大分离是必要的，纠正单个电路错误，以及在至少两个逻辑量子比特之间产生纠缠的能力也是如此。

上图通过比较一对中每个量子比特的图像，展示了纠缠量子比特之间的差异（误差）。

我们可以发现逻辑量子比特，相对于物理量子比特的巨大优势，干干净净，没有误差。

微软联合 Quantinuum 的这项突破，是构建混合超级计算系统道路上的一个重要里程碑，将会改变许多行业的研究和创新。

克服了自身脆弱性的逻辑量子比特，将为人工智能、超级计算、以及其他混合应用程序带来更多的可能。

有了由 100 个可靠逻辑量子比特提供支持的混合超级计算机，我们将看到量子计算在科学探索方面的优势，

而当逻辑量子比特扩展到 1,000 个时，它将真正能够应用于解决商业问题。

网友热议

不得不说，这项研究让量子计算领域「曙光初现」。

而近来风生水起的微软拿到了这项成果，也让人不禁想到它手里捏着的 OpenAI。

量子计算？这不正是 Altman 想要的吗？这也许正是为了真正的 AGI 所准备的：

网友于是想到了 OpenAI 的大制作：最终业务目标是什么？星际之门？

不过也有网友持谨慎态度，「这对世界来说是个好消息。我希望这不会像谷歌宣布他们已经实现量子霸权并迅速撤回时的惨败一样。」

——谷歌：喵？

相比于劈柴哥，纳德拉此刻春风得意马蹄疾：

「正确的时间，正确的人使一切变得不同。」

展望

社会面临的许多最棘手的问题，如气候变化、粮食安全和能源危机，都是化学和材料科学问题。

然而，在可观测的宇宙中，可能的稳定分子和材料的数量可能会超过原子的数量。即使是十亿年的经典计算也不足以探索和评估它们。

无论是提高制药生产力还是开拓下一代可持续电池，加速科学发现都需要一个专门构建的混合计算平台。

研究人员需要在发现管道的正确阶段使用正确的工具，以有效地解决科学问题的每一层，并深入了解它们最重要的地方。

使用 AI 筛选海量数据集、使用高性能计算（HPC）缩小选项范围，或在未来利用扩展量子计算的强大功能提高模型准确性。

保真度和纠错对量子计算是如此重要。只有具有良好的保真度，我们才能为可靠地扩展量子计算机的规模，为解决现实世界问题奠定坚实的基础。

多年来，人们只能采用增加嘈杂的物理量子比特的数量，以及补偿该噪声的技术。

当今大多数 NISQ 机器的主要缺点是物理量子比特过于嘈杂且容易出错，无法实现强大的量子纠错。行业的基础组件不足以让量子纠错工作，这就是为什么更大的 NISQ 系统对于实际应用来说并不实用。

整个量子生态系统的任务是提高量子比特的保真度，并实现容错量子计算，以便我们可以使用量子机器来解锁以前棘手问题的解决方案。

为此，我们需要过渡到可靠的逻辑量子比特——通过将多个物理量子比特组合成逻辑量子比特，来防止噪声并维持长时间（即弹性）计算。

通过高质量的硬件组件和突破性的错误处理功能，今天，我们做到了这一点。