限制量子計算發(fā)展的關(guān)鍵問題，就快被解決了！

對于整個量子生態(tài)系統(tǒng)來說，這是一個歷史性的時刻。

——近日，微軟聯(lián)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(tǒng)（具有錯誤診斷和糾正功能）應(yīng)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(xiàn)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(xué)和商業(yè)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(xiàn)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(yè)，有史以來第一次從1級基礎(chǔ)量子計算，邁向2級彈性量子計算。

風(fēng)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(jù)Pitchbook的數(shù)據(jù)，2022年，涌入量子計算相關(guān)公司的投資達到了創(chuàng)紀錄的18億美元。

相比于驚人的投資，量子計算的發(fā)展卻像她本身一樣，處于薛定諤的狀態(tài)。

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(yīng)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(jié)構(gòu)，——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(huán)形電纜將其接入控制系統(tǒng)，最上層大量的銅結(jié)構(gòu)承擔導(dǎo)熱功能，將設(shè)備連接到冷卻系統(tǒng)。

最終整個系統(tǒng)被冷卻到相當?shù)偷臏囟龋ㄓ袝r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(tǒng)計算機的經(jīng)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(zhuǎn)，或者消除量子疊加狀態(tài)。

所以，物理量子比特通常要與環(huán)境充分隔離，然而要是真的完全隔離了，那還跟咱有啥關(guān)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(tài)，——這都是會引入噪聲和誤差的操作。

這些問題導(dǎo)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(guī)模，真正應(yīng)用于商業(yè)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?qū)?0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(tǒng)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(fù)。

Quantinuum的H2量子處理器

由霍尼韋爾提供支持的H2系統(tǒng)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(gòu)，可提供65,536的量子體積和最大的GHZ狀態(tài)。

Quantinuum的系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)邏輯量子比特，相對于物理量子比特的巨大優(yōu)勢，干干凈凈，沒有誤差。

微軟聯(lián)合Quantinuum的這項突破，是構(gòu)建混合超級計算系統(tǒng)道路上的一個重要里程碑，將會改變許多行業(yè)的研究和創(chuàng)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(yīng)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(xué)探索方面的優(yōu)勢，

而當邏輯量子比特擴展到1,000個時，它將真正能夠應(yīng)用于解決商業(yè)問題。

網(wǎng)友熱議

不得不說，這項研究讓量子計算領(lǐng)域「曙光初現(xiàn)」。

而近來風(fēng)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(wǎng)友于是想到了OpenAI的大制作：最終業(yè)務(wù)目標是什么？星際之門？

不過也有網(wǎng)友持謹慎態(tài)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(jīng)實現(xiàn)量子霸權(quán)并迅速撤回時的慘敗一樣?！?/span>

——谷歌：喵？

相比于劈柴哥，納德拉此刻春風(fēng)得意馬蹄疾：

「正確的時間，正確的人使一切變得不同?！?/span>

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(xué)和材料科學(xué)問題。

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

無論是提高制藥生產(chǎn)力還是開拓下一代可持續(xù)電池，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)都需要一個專門構(gòu)建的混合計算平臺。

研究人員需要在發(fā)現(xiàn)管道的正確階段使用正確的工具，以有效地解決科學(xué)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(shù)據(jù)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(guī)模，為解決現(xiàn)實世界問題奠定堅實的基礎(chǔ)。

多年來，人們只能采用增加嘈雜的物理量子比特的數(shù)量，以及補償該噪聲的技術(shù)。

當今大多數(shù)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(xiàn)強大的量子糾錯。行業(yè)的基礎(chǔ)組件不足以讓量子糾錯工作，這就是為什么更大的NISQ系統(tǒng)對于實際應(yīng)用來說并不實用。

整個量子生態(tài)系統(tǒng)的任務(wù)是提高量子比特的保真度，并實現(xiàn)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(zhì)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。