人類(lèi)進(jìn)入量子計(jì)算新時(shí)代！

剛剛，微軟官宣創(chuàng)造了有史以來(lái)，記錄中性能最佳的「邏輯量子比特」——12個(gè)。

而且，這是數(shù)量最多、保真度最高的量子糾纏比特。

這是通過(guò)改進(jìn)Quantinuum領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)H2（56物理量子比特），才取得如今這一突破性的進(jìn)展。

這證明了，微軟在世界級(jí)糾錯(cuò)方面的專(zhuān)業(yè)能力。

僅用了不到3個(gè)月的時(shí)間，他們便將可靠的邏輯量子比特?cái)?shù)，增加了3倍。

此外，將所有12個(gè)邏輯量子比特糾纏在一個(gè)復(fù)雜狀態(tài)中，進(jìn)行「更深層次」的量子計(jì)算時(shí)，相較于對(duì)應(yīng)的物理量子比特，電路錯(cuò)誤率提高了22倍。

這些結(jié)果，均在Azure Quantum計(jì)算平臺(tái)上完成，并利用離子阱硬件實(shí)現(xiàn)了邏輯量子比特的規(guī)?；?jì)算。

最讓人興奮的是，微軟展示了首個(gè)端到端的化學(xué)模擬。

AI可以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，量子可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算和精度更高結(jié)果，直接研發(fā)過(guò)程從幾年時(shí)間，壓縮至短短幾天。

未來(lái)，可擴(kuò)展量子計(jì)算將為科學(xué)發(fā)現(xiàn)鋪平道路，特別是在化學(xué)、物理和生命科學(xué)領(lǐng)域。

與此同時(shí)，微軟還宣布與Atom計(jì)算聯(lián)手打造世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，下一步實(shí)現(xiàn)1000+高性能的邏輯量子比特。

有網(wǎng)友稱(chēng)，如果有了充足的能源，從量子計(jì)算角度來(lái)看，計(jì)算成本將降至0（特別是對(duì)于訓(xùn)練AI模型）。到了那時(shí)，Scaling Law就真的終結(jié)了。

我們正處在量子AI時(shí)代邊緣。

12個(gè)邏輯量子比特創(chuàng)紀(jì)錄

微軟和Quantinuum創(chuàng)世之舉的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)兩個(gè)關(guān)鍵要素：

一個(gè)是Azure Quantum量子比特虛擬化平臺(tái)，另一個(gè)是H2離子阱量子計(jì)算機(jī)。

3個(gè)月，數(shù)量增加3倍

今年4月，微軟和Quantinuum曾聯(lián)手將量子比特虛擬化系統(tǒng)，應(yīng)用與H系列離子阱捕獲量子比特。

沒(méi)想到，他們?cè)贖2上從30個(gè)物理量子比特中，創(chuàng)建了4個(gè)邏輯量子比特，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)新紀(jì)錄。

而且，其邏輯層面的錯(cuò)誤率比物理錯(cuò)誤率，要強(qiáng)800倍。

而現(xiàn)在，微軟通過(guò)擴(kuò)展微軟糾錯(cuò)算法，并對(duì)H2進(jìn)行優(yōu)化。由此，改進(jìn)后的H2量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了56個(gè)量子比特，雙量子比特保真度為99.8%。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)解鎖了12個(gè)高度可靠的邏輯量子比特。

此前，在貝爾態(tài)（Bell state）準(zhǔn)備中，他們將兩個(gè)邏輯量子比特糾纏在一起。

而在這項(xiàng)研究中，所有的12個(gè)邏輯量子比特，以更復(fù)雜的排列糾纏，可以稱(chēng)為CAT態(tài)，或Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）。

當(dāng)這些邏輯量子比特糾纏在一起時(shí)，它們的電路錯(cuò)誤率為0.0011。

這要比相應(yīng)的物理量子比特的電路錯(cuò)誤率（0.024），提升了22倍。

8個(gè)量子比特，5輪重復(fù)糾錯(cuò)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，研究人員進(jìn)行了幾個(gè)使用改進(jìn)的邏輯量子比特容錯(cuò)型計(jì)算。

在8個(gè)邏輯量子比特上，能夠成功進(jìn)行5輪重復(fù)糾錯(cuò)。

此外，8個(gè)邏輯量子比特被用在糾錯(cuò)過(guò)程中，執(zhí)行容錯(cuò)型計(jì)算，成功展現(xiàn)了邏輯糾纏操作與多輪量子糾錯(cuò)的結(jié)合。

它們的電路錯(cuò)誤率為0.002，相較于相應(yīng)的物理量子比特，提高了11倍。

這也是微軟首次展示，計(jì)算和糾錯(cuò)結(jié)合的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，并且邏輯量子比特能夠可靠執(zhí)行更加深入的量子計(jì)算，進(jìn)而為容錯(cuò)量子計(jì)算鋪平了道路。

首個(gè)端到端化學(xué)模擬，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)

那么，微軟開(kāi)展的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)，究竟有什么用？

最終，是為了加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

對(duì)此，研究人員開(kāi)展了端到端化學(xué)模擬，將云HPC、AI、高可靠性量子計(jì)算結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)混合式工作流。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2409.05835

在量子計(jì)算中，2個(gè)邏輯量子比特（通過(guò)量子比特虛擬化系統(tǒng)和H1創(chuàng)建），用于構(gòu)建一個(gè)重要催化中間體的活性空間基態(tài)，再進(jìn)行測(cè)量

如下圖1所示。

圖1 首次通過(guò)AutoRXN預(yù)測(cè)的P-N-N-P鐵催化劑反應(yīng)途徑，這些途徑對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物功能具有顯著影響

然后，再將測(cè)量結(jié)果交由AI，估算活性空間的基態(tài)能量。

這是首次將HPC、AI和量子計(jì)算硬件結(jié)合，來(lái)解決科學(xué)問(wèn)題。

接下來(lái)，具體闡述微軟如何通過(guò)這樣一個(gè)混合工作流，完成在化學(xué)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

首先，研究團(tuán)隊(duì)在Azure Quantum Elements中，使用AutoCAS和AutoRXN進(jìn)行高性能計(jì)算（HPC）模擬，分別識(shí)別催化劑的活性空間和反應(yīng)途徑。

然后，他們優(yōu)化了用于自定義量子算法中的錯(cuò)誤檢測(cè)代碼，以在兩個(gè)邏輯量子比特上模擬活性空間的量子行為。

接著，使用了一種稱(chēng)為經(jīng)典陰影的方法，測(cè)量邏輯量子比特，以生成經(jīng)典數(shù)據(jù)。

這一方法利用測(cè)量結(jié)果，作為經(jīng)典數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)AI模型，進(jìn)而了解分子的量子性質(zhì)。

在然后，將這種「陰影數(shù)據(jù)」與AI模型結(jié)合，確定催化劑的化學(xué)性質(zhì)，并估算達(dá)到化學(xué)精度的活性空間基態(tài)能量（圖2）。

為了方便比較，研究人員對(duì)物理量子比特，也進(jìn)行了類(lèi)似的計(jì)算。

圖2 使用物理量子比特和邏輯量子比特，估算活性空間基態(tài)能量時(shí)所達(dá)到準(zhǔn)確性的比較圖。邏輯量子比特計(jì)算產(chǎn)生更好的基態(tài)能量估算，可能性高達(dá)97%?；瘜W(xué)精度限制在，以經(jīng)典計(jì)算得出的真實(shí)基態(tài)能量1.6mHa以?xún)?nèi)

通過(guò)經(jīng)典計(jì)算方法，得出催化劑活性空間的基態(tài)能量，最終評(píng)估基于混合量子和AI結(jié)果的準(zhǔn)確性。

使用量子比特解決這個(gè)問(wèn)題，并未展現(xiàn)出科學(xué)量子的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)也可得出。

然而，對(duì)于一些復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算放大不太可能以高精度方法解決，因此量子計(jì)算機(jī)就是不二選擇。

以上，便是整個(gè)化學(xué)模擬的全過(guò)程，這一概念得到驗(yàn)證，說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題：

- 首個(gè)使用量子計(jì)算、高性能計(jì)算（HPC）和AI來(lái)模擬和解決化學(xué)問(wèn)題端到端工作流程演示。

- 量子力學(xué)問(wèn)題以高度準(zhǔn)確性得到解決。比起物理量子比特，邏輯量子比特基態(tài)能量估算更好。

這些成就展示了在科學(xué)量子優(yōu)越性方面的持續(xù)進(jìn)展，當(dāng)量子-經(jīng)典混合超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠解決，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法單獨(dú)解決的科學(xué)問(wèn)題時(shí)，量子計(jì)算里程碑就實(shí)現(xiàn)了。

量子計(jì)算，迎來(lái)新時(shí)代

谷歌之外，微軟在量子計(jì)算上投下重注。

納德拉曾公開(kāi)表示，混合現(xiàn)實(shí)、人工智能和量子計(jì)算是未來(lái)數(shù)年「塑造」世界的三種開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)。

微軟正在迎來(lái)計(jì)算新時(shí)代，在量子計(jì)算中的突破，是為了釋放科學(xué)潛能，應(yīng)對(duì)世界上一些最緊迫的挑戰(zhàn)。

這也是Azure Quantum——首個(gè)可靠量子計(jì)算平臺(tái)，誕生的原因之一。

他們希望，通過(guò)這一平臺(tái)，可以讓量子計(jì)算規(guī)?；?。

5個(gè)月前，微軟等展示了可靠性比物理量子比特，高800倍的邏輯量子比特，并宣稱(chēng)已進(jìn)入利用可靠量子計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題下一階段。

因?yàn)?，如今的嘈雜中等規(guī)模量子計(jì)算機(jī)（NISQ），主要問(wèn)題是物理量子比特噪聲太大且易出錯(cuò)，并在實(shí)際應(yīng)用中不可靠。

而且，僅僅通過(guò)增加物理量子比特，不足以實(shí)現(xiàn)文件的量子糾錯(cuò)。

這就是為什么，需要過(guò)渡到可靠的、高保真的邏輯量子比特。

通用多個(gè)物理量子比特結(jié)合，可以抵御噪聲，并在長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算中保持相干性。

不過(guò)，量子計(jì)算并不是孤立存在的，它需要與云HPC的強(qiáng)大功能深度集成。

因此，新一代混合量子應(yīng)用程序，才可以解決人類(lèi)當(dāng)前最緊迫的挑戰(zhàn)——開(kāi)創(chuàng)更加可持續(xù)能源方案，拯救生命的治療方法。

Azure Quantum計(jì)算平臺(tái)能夠提供多種硬件架構(gòu)的量子計(jì)算，而且支持業(yè)界領(lǐng)先的混合量子應(yīng)用程序。

所有的程序都放置在，一個(gè)安全、統(tǒng)一、可擴(kuò)展的云環(huán)境中。

創(chuàng)建新一代混合量子應(yīng)用程序

通過(guò)將高性能計(jì)算、AI和量子技術(shù)相結(jié)合，整合到同一個(gè)云平臺(tái)Azure Quantum上，微軟正在開(kāi)創(chuàng)一種新的計(jì)算范式。

Azure Quantum能夠利用多種量子比特架構(gòu)和多種芯片，使量子應(yīng)用程序無(wú)縫執(zhí)行，從而為各種應(yīng)用領(lǐng)域提供加速計(jì)算，比如生成化學(xué)和密度泛函理論（DFT）。

AI在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，和量子在復(fù)雜計(jì)算中前所未有精度形成了互補(bǔ)，構(gòu)成了強(qiáng)大的計(jì)算基礎(chǔ)，提供了一個(gè)安全、統(tǒng)一且可擴(kuò)展的混合計(jì)算環(huán)境。

這使得創(chuàng)新者能夠開(kāi)發(fā)出最佳方案，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)上難以處理甚至無(wú)法解決的問(wèn)題。

這種差異化的計(jì)算棧中，研究人員在適當(dāng)?shù)碾A段使用量子工具，加上Copilot的工作流協(xié)同、開(kāi)發(fā)者工具、經(jīng)典超算、AI協(xié)同推理和多模態(tài)模型，以迭代循環(huán)的方式推進(jìn)。

在微軟看來(lái)，這種方式能迸發(fā)出巨大的力量，或許能將研發(fā)和解決方案的工程周期，從幾年縮短到幾天。