量子計(jì)算可靠性提升800倍!微軟開啟2級(jí)彈性量子計(jì)算新時(shí)代
限制量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵問題,就快被解決了!
對(duì)于整個(gè)量子生態(tài)系統(tǒng)來說,這是一個(gè)歷史性的時(shí)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(cuò)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(dú)實(shí)驗(yàn)中,量子計(jì)算沒有出現(xiàn)任何錯(cuò)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(gè)成就:
在我們開啟可靠量子計(jì)算帶來的科學(xué)和商業(yè)進(jìn)步的道路上,這是一個(gè)激動(dòng)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(duì)邏輯量子比特進(jìn)行錯(cuò)誤診斷和校正,來實(shí)現(xiàn)更可靠的量子計(jì)算。
這樣的實(shí)驗(yàn)成果,也使得量子計(jì)算作為一個(gè)行業(yè),有史以來第一次從1級(jí)基礎(chǔ)量子計(jì)算,邁向2級(jí)彈性量子計(jì)算。
風(fēng)雨飄搖的量子計(jì)算
是高高在上的未來尖端科技,還是處于瘋狂泡沫中的當(dāng)代騙局?
根據(jù)Pitchbook的數(shù)據(jù),2022年,涌入量子計(jì)算相關(guān)公司的投資達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的18億美元。
相比于驚人的投資,量子計(jì)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(jì)算實(shí)驗(yàn)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(dá)成AGI的終極理想。
事實(shí)上,量子計(jì)算或許并不應(yīng)該背這個(gè)鍋,之所以看起來「騙人又騙錢」,是因?yàn)樗娴暮軣X。
上圖是IBM某量子計(jì)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(dān)導(dǎo)熱功能,將設(shè)備連接到冷卻系統(tǒng)。
最終整個(gè)系統(tǒng)被冷卻到相當(dāng)?shù)偷臏囟龋ㄓ袝r(shí)只比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)),小心翼翼地躲在上面這個(gè)白色的絕緣外殼里。
量子計(jì)算既高級(jí)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(gè)名字的電話簿中找到特定的條目,
而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jì)算需要嚴(yán)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(jì)算至少需要初始化量子比特,還有測(cè)量生成的量子態(tài),——這都是會(huì)引入噪聲和誤差的操作。
這些問題導(dǎo)致之前的量子計(jì)算一直被困在NISQ(嘈雜的中級(jí)計(jì)算機(jī))時(shí)代,無法解決噪聲問題,也無法擴(kuò)大規(guī)模,真正應(yīng)用于商業(yè)場(chǎng)景。
量子計(jì)算新時(shí)代
研究團(tuán)隊(duì)使用了Quantinuum的H2離子阱處理器,能夠?qū)?0個(gè)物理量子比特,組合成四個(gè)高度可靠的邏輯量子比特。
將多個(gè)物理量子比特編碼為單個(gè)邏輯量子比特,有助于保護(hù)系統(tǒng)免受錯(cuò)誤影響。
物理量子比特糾纏在一起,因此可以檢測(cè)物理量子比特中的錯(cuò)誤,并對(duì)其進(jìn)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(jì)算機(jī),具有新的跑道形陷阱。
Quantinuum的H2具有32個(gè)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(biāo)志性功能:
- 32個(gè)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(duì)多連接
- 量子比特重用
- 帶條件邏輯的中間電路測(cè)量
研究人員指出,為了超越NISQ,邏輯和物理量子比特錯(cuò)誤率之間的大分離是必要的,糾正單個(gè)電路錯(cuò)誤,以及在至少兩個(gè)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(duì)中每個(gè)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(duì)于物理量子比特的巨大優(yōu)勢(shì),干干凈凈,沒有誤差。
微軟聯(lián)合Quantinuum的這項(xiàng)突破,是構(gòu)建混合超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)道路上的一個(gè)重要里程碑,將會(huì)改變?cè)S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(jí)計(jì)算、以及其他混合應(yīng)用程序帶來更多的可能。
有了由100個(gè)可靠邏輯量子比特提供支持的混合超級(jí)計(jì)算機(jī),我們將看到量子計(jì)算在科學(xué)探索方面的優(yōu)勢(shì),
而當(dāng)邏輯量子比特?cái)U(kuò)展到1,000個(gè)時(shí),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(xiàng)研究讓量子計(jì)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(xiàng)成果,也讓人不禁想到它手里捏著的OpenAI。
量子計(jì)算?這不正是Altman想要的嗎?這也許正是為了真正的AGI所準(zhǔn)備的:
網(wǎng)友于是想到了OpenAI的大制作:最終業(yè)務(wù)目標(biāo)是什么?星際之門?
不過也有網(wǎng)友持謹(jǐn)慎態(tài)度,「這對(duì)世界來說是個(gè)好消息。我希望這不會(huì)像谷歌宣布他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)并迅速撤回時(shí)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(shí)間,正確的人使一切變得不同。」
展望
社會(huì)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(jī),都是化學(xué)和材料科學(xué)問題。
然而,在可觀測(cè)的宇宙中,可能的穩(wěn)定分子和材料的數(shù)量可能會(huì)超過原子的數(shù)量。即使是十億年的經(jīng)典計(jì)算也不足以探索和評(píng)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(gè)專門構(gòu)建的混合計(jì)算平臺(tái)。
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(jì)算(HPC)縮小選項(xiàng)范圍,或在未來利用擴(kuò)展量子計(jì)算的強(qiáng)大功能提高模型準(zhǔn)確性。
保真度和糾錯(cuò)對(duì)量子計(jì)算是如此重要。只有具有良好的保真度,我們才能為可靠地?cái)U(kuò)展量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模,為解決現(xiàn)實(shí)世界問題奠定堅(jiān)實(shí)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(bǔ)償該噪聲的技術(shù)。
當(dāng)今大多數(shù)NISQ機(jī)器的主要缺點(diǎn)是物理量子比特過于嘈雜且容易出錯(cuò),無法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的量子糾錯(cuò)。行業(yè)的基礎(chǔ)組件不足以讓量子糾錯(cuò)工作,這就是為什么更大的NISQ系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說并不實(shí)用。
整個(gè)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(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算,以便我們可以使用量子機(jī)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(gè)物理量子比特組合成邏輯量子比特,來防止噪聲并維持長(zhǎng)時(shí)間(即彈性)計(jì)算。
通過高質(zhì)量的硬件組件和突破性的錯(cuò)誤處理功能,今天,我們做到了這一點(diǎn)。