限制量子計算發展的關鍵問題，就快被解決了！

對于整個量子生態系統來說，這是一個歷史性的時刻。

——近日，微軟聯合Quantinuum，向全世界展示了有史以來最可靠的邏輯量子比特。

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

通過將微軟突破性的量子比特虛擬化系統（具有錯誤診斷和糾正功能）應用于Quantinuum的離子阱硬件，

在14,000多次單獨實驗中，量子計算沒有出現任何錯誤，——相比于使用物理量子比特，可靠性足足提升了800倍！

微軟CEO納德拉也樂呵呵地宣傳了這個成就：

在我們開啟可靠量子計算帶來的科學和商業進步的道路上，這是一個激動人心的里程碑

研究人員在不破壞邏輯量子比特的情況下，通過對邏輯量子比特進行錯誤診斷和校正，來實現更可靠的量子計算。

這樣的實驗成果，也使得量子計算作為一個行業，有史以來第一次從1級基礎量子計算，邁向2級彈性量子計算。

風雨飄搖的量子計算

是高高在上的未來尖端科技，還是處于瘋狂泡沫中的當代騙局？

根據Pitchbook的數據，2022年，涌入量子計算相關公司的投資達到了創紀錄的18億美元。

相比于驚人的投資，量子計算的發展卻像她本身一樣，處于薛定諤的狀態。

近期我們也許聽聞過大公司撤掉量子計算實驗室的消息，但也有諸如Altman這樣的野心家，希望借助這股神秘的力量來達成AGI的終極理想。

事實上，量子計算或許并不應該背這個鍋，之所以看起來「騙人又騙錢」，是因為它真的很燒錢。

上圖是IBM某量子計算芯片的冷卻和支持結構，——最下方的黑色小方塊是芯片本體，而上面這一坨看上去是既科幻又昂貴。

芯片上一層的環形電纜將其接入控制系統，最上層大量的銅結構承擔導熱功能，將設備連接到冷卻系統。

最終整個系統被冷卻到相當低的溫度（有時只比絕對零度高一點點），小心翼翼地躲在上面這個白色的絕緣外殼里。

量子計算既高級又脆弱

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1億個名字的電話簿中找到特定的條目，

而傳統計算機的經典搜索算法，平均需要5000萬次操作。

而另一方面，量子計算需要嚴苛的條件，任何微小的雜散熱量或噪聲，都可能造成比特翻轉，或者消除量子疊加狀態。

所以，物理量子比特通常要與環境充分隔離，然而要是真的完全隔離了，那還跟咱有啥關系？

我們的計算至少需要初始化量子比特，還有測量生成的量子態，——這都是會引入噪聲和誤差的操作。

這些問題導致之前的量子計算一直被困在NISQ（嘈雜的中級計算機）時代，無法解決噪聲問題，也無法擴大規模，真正應用于商業場景。

量子計算新時代

研究團隊使用了Quantinuum的H2離子阱處理器，能夠將30個物理量子比特，組合成四個高度可靠的邏輯量子比特。

將多個物理量子比特編碼為單個邏輯量子比特，有助于保護系統免受錯誤影響。

物理量子比特糾纏在一起，因此可以檢測物理量子比特中的錯誤，并對其進行修復。

Quantinuum的H2量子處理器

由霍尼韋爾提供支持的H2系統模型，是最新一代的量子計算機，具有新的跑道形陷阱。

Quantinuum的H2具有32個完全連接的量子比特和全新的架構，可提供65,536的量子體積和最大的GHZ狀態。

Quantinuum的系統模型H2包括許多標志性功能：

- 32個全連接量子比特

- 65,536量子體積

- 99.997%單量子比特門保真度

- 99.8%雙量子比特門保真度

- 多對多連接

- 量子比特重用

- 帶條件邏輯的中間電路測量

研究人員指出，為了超越NISQ，邏輯和物理量子比特錯誤率之間的大分離是必要的，糾正單個電路錯誤，以及在至少兩個邏輯量子比特之間產生糾纏的能力也是如此。

上圖通過比較一對中每個量子比特的圖像，展示了糾纏量子比特之間的差異（誤差）。

我們可以發現邏輯量子比特，相對于物理量子比特的巨大優勢，干干凈凈，沒有誤差。

微軟聯合Quantinuum的這項突破，是構建混合超級計算系統道路上的一個重要里程碑，將會改變許多行業的研究和創新。

克服了自身脆弱性的邏輯量子比特，將為人工智能、超級計算、以及其他混合應用程序帶來更多的可能。

有了由100個可靠邏輯量子比特提供支持的混合超級計算機，我們將看到量子計算在科學探索方面的優勢，

而當邏輯量子比特擴展到1,000個時，它將真正能夠應用于解決商業問題。

網友熱議

不得不說，這項研究讓量子計算領域「曙光初現」。

而近來風生水起的微軟拿到了這項成果，也讓人不禁想到它手里捏著的OpenAI。

量子計算？這不正是Altman想要的嗎？這也許正是為了真正的AGI所準備的：

網友于是想到了OpenAI的大制作：最終業務目標是什么？星際之門？

不過也有網友持謹慎態度，「這對世界來說是個好消息。我希望這不會像谷歌宣布他們已經實現量子霸權并迅速撤回時的慘敗一樣。」

——谷歌：喵？

相比于劈柴哥，納德拉此刻春風得意馬蹄疾：

「正確的時間，正確的人使一切變得不同。」

展望

社會面臨的許多最棘手的問題，如氣候變化、糧食安全和能源危機，都是化學和材料科學問題。

然而，在可觀測的宇宙中，可能的穩定分子和材料的數量可能會超過原子的數量。即使是十億年的經典計算也不足以探索和評估它們。

無論是提高制藥生產力還是開拓下一代可持續電池，加速科學發現都需要一個專門構建的混合計算平臺。

研究人員需要在發現管道的正確階段使用正確的工具，以有效地解決科學問題的每一層，并深入了解它們最重要的地方。

使用AI篩選海量數據集、使用高性能計算（HPC）縮小選項范圍，或在未來利用擴展量子計算的強大功能提高模型準確性。

保真度和糾錯對量子計算是如此重要。只有具有良好的保真度，我們才能為可靠地擴展量子計算機的規模，為解決現實世界問題奠定堅實的基礎。

多年來，人們只能采用增加嘈雜的物理量子比特的數量，以及補償該噪聲的技術。

當今大多數NISQ機器的主要缺點是物理量子比特過于嘈雜且容易出錯，無法實現強大的量子糾錯。行業的基礎組件不足以讓量子糾錯工作，這就是為什么更大的NISQ系統對于實際應用來說并不實用。

整個量子生態系統的任務是提高量子比特的保真度，并實現容錯量子計算，以便我們可以使用量子機器來解鎖以前棘手問題的解決方案。

為此，我們需要過渡到可靠的邏輯量子比特——通過將多個物理量子比特組合成邏輯量子比特，來防止噪聲并維持長時間（即彈性）計算。

通過高質量的硬件組件和突破性的錯誤處理功能，今天，我們做到了這一點。