限制量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，就快被解決了！

對(duì)于整個(gè)量子生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(lái)最可靠的邏輯量子比特。

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

通過(guò)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(méi)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(lè)呵呵地宣傳了這個(gè)成就：

在我們開(kāi)啟可靠量子計(jì)算帶來(lái)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(guò)對(duì)邏輯量子比特進(jìn)行錯(cuò)誤診斷和校正，來(lái)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(lái)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(lái)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(tīng)聞過(guò)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(lái)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(lái)「騙人又騙錢(qián)」，是因?yàn)樗娴暮軣X(qián)。

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(wàn)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(wèn)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(wú)法解決噪聲問(wèn)題，也無(wú)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(mén)保真度

- 99.8%雙量子比特門(mén)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(guò)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(méi)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(lái)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(wèn)題。

網(wǎng)友熱議

不得不說(shuō)，這項(xiàng)研究讓量子計(jì)算領(lǐng)域「曙光初現(xiàn)」。

而近來(lái)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(mén)？

不過(guò)也有網(wǎng)友持謹(jǐn)慎態(tài)度，「這對(duì)世界來(lái)說(shuō)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?！?/span>

展望

社會(huì)面臨的許多最棘手的問(wèn)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(wèn)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(guò)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(wú)論是提高制藥生產(chǎn)力還是開(kāi)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(zhuān)門(mén)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(wèn)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(lái)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(wèn)題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

多年來(lái)，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(guò)于嘈雜且容易出錯(cuò)，無(wú)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(lái)說(shuō)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(lái)解鎖以前棘手問(wèn)題的解決方案。

為此，我們需要過(guò)渡到可靠的邏輯量子比特——通過(guò)將多個(gè)物理量子比特組合成邏輯量子比特，來(lái)防止噪聲并維持長(zhǎng)時(shí)間（即彈性）計(jì)算。

通過(guò)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)。