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自從物理學家費曼（Richard Feynman）在80年代首次提出了利用量子力學原理進行計算的概念，無數(shù)科學家就夢想著用量子計算重塑未來?？上КF(xiàn)實往往“磕磕絆絆”，40多年過去了，量子計算依然囿于實驗室，難以真正落地應用。

然而，這一現(xiàn)狀迎來了轉機。周三，微軟在官網發(fā)布了一系列博客文章和論文，宣布在量子糾錯領域獲得突破性進展，大幅推動了量子計算機的落地進度：

通過將微軟的量子比特虛擬系統(tǒng)（qubit-virtualization system），錯誤診斷和改正手段（error diagnostics and correction），與Quantinuum公司的離子阱硬件（trapped-ion hardware）相結合，迄今為止最可靠的邏輯量子比特被創(chuàng)造出來。相較于單個物理量子比特，這種邏輯量子比特的錯誤率改善了800倍。

Credit: Microsoft

具體來說，僅利用30個物理量子比特，微軟成功構建了4個高度可靠的邏輯量子比特。在14000次試驗中，這4個邏輯量子比特運行始終平穩(wěn)如初，未現(xiàn)任何錯誤。

這一突破之所以備受關注，是因為長期以來，管理和糾正量子誤差一直是阻礙量子計算機真正落地的最大障礙。量子系統(tǒng)由于易受噪聲和退相干現(xiàn)象的影響，極易導致量子態(tài)失常、計算出現(xiàn)錯誤。此外，不精確的量子門操作和測量過程也可能引入誤差，使之逐步累積，影響最終結果的準確性。

因此，即便擁有再多量子比特，量子計算機也難以完全發(fā)揮其超強的并行處理能力，這就是為什么到目前為止，量子計算機僅用于研究和實驗的主要原因。而微軟和Quantinuum這一突破，正是為解決這一挑戰(zhàn)邁出的關鍵一步。

那么微軟是怎么做到的呢？

在量子計算機中，基本單位被稱為“量子比特（quantum bit）”或“量子位（qubit）”。與傳統(tǒng)計算機中只能代表0或1的最小數(shù)據單位“bit”不同，量子比特可以同時處于0和1的疊加態(tài)，讓每個量子比特同時執(zhí)行兩個計算。

這是量子計算機擁有超越傳統(tǒng)計算機的計算能力的關鍵所在：量子計算機中通過量子力學連接的量子比特越多，其計算能力就可以以指數(shù)方式增長。

量子計算機大約每千次操作就會出現(xiàn)一個錯誤，通常有兩種方式來降低錯誤率：

1、提高單個物理量子比特及其上執(zhí)行的操作的質量，其中包括最大限度地減少溫度波動或電磁干擾等因素造成的外部噪音；利用不易退相干的先進材料；開發(fā)更精確的量子門操作等。

2、使用邏輯量子比特進行糾錯，將多個物理量子比特組合成更可靠的虛擬量子比特。

此次突破主要通過第2種途徑實現(xiàn)。微軟僅使用30個物理量子比特就構建出了4個高度可靠的邏輯量子比特。相較于先前的研究，這種量子糾錯策略所需的物理量子比特數(shù)量預期至少為1000個，因此這是一個巨大的飛躍。

“主動癥狀提?。ˋctive Syndrome Extraction）”，一種微軟新開發(fā)的，能夠在不破壞邏輯量子比特的情況下進行診斷和糾正錯誤的方法，也在這次突破中發(fā)揮了重要作用。

測量量子態(tài)（如疊加態(tài)）的行為通常會破壞它。為了避免這種情況，“主動癥狀提取”并不關注量子比特的量子態(tài)，而是學習與噪聲相關的量子比特細節(jié)。具備考慮噪聲的能力可以讓更長更復雜的量子計算順利進行，而不會出現(xiàn)故障，同時也不會破壞邏輯量子比特。微軟稱它在2個邏輯量子比特上運行了多輪的“主動癥狀提取”。

微軟展示了如何進行糾纏量子比特的準備工作（如下圖）。?虛線內的部分是用于創(chuàng)建糾纏態(tài)的電路的粗略表示。A 和 B 代表可應用于狀態(tài)每一半的測量值。?在沒有錯誤的情況下，如果應用于每一半的測量類型相同，則一半的結果應與另一半的結果一致。?

下圖展示了糾纏的量子比特之間的差異（誤差）：通過比較一對量子比特中每個量子比特的圖像可以發(fā)現(xiàn)差異，存在的任何差異都會以點的形式出現(xiàn)在每對量子比特的之間的圖塊上。物理量子比特對之間存在錯誤，第一排中間圖塊中的“小點”就證明了這一點。?相比之下，糾纏的邏輯量子比特之間不存在任何錯誤，從第二排中間的不存在“小點”的空白圖塊中可以看出。

Credit: Microsoft

微軟邁入量子計算機發(fā)展的韌性階段

微軟報告稱，最新的突破標志著其在量子計算機的第2個發(fā)展階段中獲得了先機，并計劃在不久的將來在?Azure Quantum Elements 的私人預覽版中提供這些功能。

我們先來回顧一下，7個月前微軟戰(zhàn)略任務和技術部門執(zhí)行副總裁Jason Zander在LinkedIn上關于量子計算機發(fā)展的3個階段的介紹：

第 1 級（Foundational-基礎）：這個階段廠商都專注于增加和宣傳一個虛榮的指標，即量子比特的數(shù)量，而忽略了保真度。保真度達到99%的NISQ系統(tǒng)只能用于量子計算研發(fā)，無助于解決現(xiàn)實問題。

第 2 級（Resilient-韌性）：需要約 200 個以上的邏輯量子比特來進行一些基本的科學工作，這涉及使用邏輯量子比特來實施糾錯技術。目前（即截至2023年8月）還沒有供應商達到這個水平。

第 3 級（Scale-規(guī)模）：要解決最困難的科學問題，必須擁有至少一百萬次可靠的每秒量子運算?（rQOPS），且邏輯錯誤率只有萬億分之一。這涉及擴展邏輯量子比特，以創(chuàng)建真正的量子超級計算機，能夠以高可靠性執(zhí)行復雜的算法。

每個級別的成功標準都是通過邏輯量子比特錯誤率、邏輯量子比特數(shù)量和可擴展性等因素來衡量的。

在周三發(fā)布的通稿中，這位副總裁表示，“這使我們擺脫了當前嘈雜的中尺度量子?(NISQ) 級別，進入到了2 級韌性量子計算階段?！备鶕霸贚inkedIn上的長文，真正地實現(xiàn)2級，需要約 200 個以上的邏輯量子比特，這表明微軟還需要在實現(xiàn)更大規(guī)模的邏輯量子比特上繼續(xù)投入。

自 2019 年以來，微軟一直與 Quantinuum 合作，使量子開發(fā)人員能夠在離子阱量子比特技術上編寫和運行自己的量子代碼，其中包括高保真、完全連接和中電路測量。?

此次實驗中，微軟使用的是Quantinuum新一代的量子計算機H2，它采用獨特的“跑道”設計使32 個量子比特實現(xiàn)全連接，這意味著 H2 中的每個量子比特都可以直接與系統(tǒng)中的任何其他量子比特成對糾纏。

Quantinuum 是全球最大的綜合量子計算公司，由 Cambridge Quantum 和 Honeywell Quantum Solutions 合并而成，專注于開發(fā)基于俘獲離子技術的量子計算系統(tǒng)。最近，該公司與谷歌旗下的 DeepMind 合作開展了一個項目，利用人工智能解決量子計算中的棘手問題。

除了與 Quantinuum 的合作之外，微軟在量子領域還進行了頗多布局。例如，它直接投資了專注于為量子計算提供光子技術的公司 Photonic Inc. ，并與之建立了合作伙伴關系；此外，它還成為了致力于利用硅光子量子比特打造首臺通用量子計算機的 PsiQuantum 的重要投資者。

量子超級計算機會在10年內誕生？

憑借量子力學原理，量子計算機可在密碼學、材料科學、藥物研發(fā)等領域實現(xiàn)指數(shù)級的運算加速，大幅提升人類的信息處理能力，甚至重塑未來社會的信息基礎設施。因此，量子計算被視為最具有顛覆性的技術之一，將引領人類社會進入全新的信息時代，科技巨頭們都在加大在該領域的投入力度。

作為量子計算研究領域的領導者之一，谷歌專注于構建自己的量子硬件。開發(fā)了一種超導量子比特設計，并持續(xù)努力提高其相干時間和可擴展性，以構建更大規(guī)模的量子計算機。

在軟件和云集成方面，谷歌擁有得天獨厚的優(yōu)勢和積累。它不僅開發(fā)了TensorFlow Quantum等工具，用于設計和運行量子機器學習模型，還在自己的云平臺上提供基于Sycamore 處理器的量子虛擬機服務。

坐擁全球市場份額第一的云服務AWS的亞馬遜則更集中精力在基于云的量子計算資源方面：通過與其他量子硬件開發(fā)商合作，提供相關的云服務。

AWS還是量子計算領域開源軟件與協(xié)作的堅定倡導者，與加州理工學院合作推出 AWS 量子計算中心，以加速該領域的研究與開發(fā)。此外，它還發(fā)布了 Amazon Braket 等開源軟件工具，用于在各類硬件平臺上設計與運行量子電路。

以硬件見長的IBM也在這場競賽中全力以赴。不僅公布了計劃在2033年推出“具有 1,000 個邏輯量子比特的以量子為中心的超級計算機”，還在官網上掛出了“未來的計算是以量子為核心”的口號。

與IBM不謀而合的是，微軟在去年6月推出了“充滿野心”的路線圖，計劃在10年內推出一臺每秒可進行百萬次可靠計算的量子超級計算機。

當時看來，無論對IBM還是微軟而言，這都是一個難以企及的目標。但隨著可靠量子計算的突破，量子比特虛擬化系統(tǒng)的不斷改進，以及硬件能力的持續(xù)提升，這一目標或許并不遙遠。

文：王茜茜?/?數(shù)據猿
責編：凝視深空?/?數(shù)據猿

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-856923.html