限制量子计算发展的关键问题，就快被解决了！

对于整个量子生态系统来说，这是一个历史性的时刻。

——近日，微软联合Quantinuum，向全世界展示了有史以来最可靠的逻辑量子比特。

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

通过将微软突破性的量子比特虚拟化系统（具有错误诊断和纠正功能）应用于Quantinuum的离子阱硬件，

在14,000多次单独实验中，量子计算没有出现任何错误，——相比于使用物理量子比特，可靠性足足提升了800倍！

微软CEO纳德拉也乐呵呵地宣传了这个成就：

在我们开启可靠量子计算带来的科学和商业进步的道路上，这是一个激动人心的里程碑

研究人员在不破坏逻辑量子比特的情况下，通过对逻辑量子比特进行错误诊断和校正，来实现更可靠的量子计算。

这样的实验成果，也使得量子计算作为一个行业，有史以来第一次从1级基础量子计算，迈向2级弹性量子计算。

量子计算既高级又脆弱

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1亿个名字的电话簿中找到特定的条目，

而传统计算机的经典搜索算法，平均需要5000万次操作。

而另一方面，量子计算需要严苛的条件，任何微小的杂散热量或噪声，都可能造成比特翻转，或者消除量子叠加状态。

所以，物理量子比特通常要与环境充分隔离，然而要是真的完全隔离了，那还跟咱有啥关系？

我们的计算至少需要初始化量子比特，还有测量生成的量子态，——这都是会引入噪声和误差的操作。

这些问题导致之前的量子计算一直被困在NISQ（嘈杂的中级计算机）时代，无法解决噪声问题，也无法扩大规模，真正应用于商业场景。

量子计算新时代

研究团队使用了Quantinuum的H2离子阱处理器，能够将30个物理量子比特，组合成四个高度可靠的逻辑量子比特。

将多个物理量子比特编码为单个逻辑量子比特，有助于保护系统免受错误影响。

物理量子比特纠缠在一起，因此可以检测物理量子比特中的错误，并对其进行修复。

Quantinuum的H2量子处理器

由霍尼韦尔提供支持的H2系统模型，是最新一代的量子计算机，具有新的跑道形陷阱。

Quantinuum的H2具有32个完全连接的量子比特和全新的架构，可提供65,536的量子体积和最大的GHZ状态。

Quantinuum的系统模型H2包括许多标志性功能：

- 32个全连接量子比特

- 65,536量子体积

- 99.997%单量子比特门保真度

- 99.8%双量子比特门保真度

- 多对多连接

- 量子比特重用

- 带条件逻辑的中间电路测量

研究人员指出，为了超越NISQ，逻辑和物理量子比特错误率之间的大分离是必要的，纠正单个电路错误，以及在至少两个逻辑量子比特之间产生纠缠的能力也是如此。

上图通过比较一对中每个量子比特的图像，展示了纠缠量子比特之间的差异（误差）。

我们可以发现逻辑量子比特，相对于物理量子比特的巨大优势，干干净净，没有误差。

微软联合Quantinuum的这项突破，是构建混合超级计算系统道路上的一个重要里程碑，将会改变许多行业的研究和创新。

克服了自身脆弱性的逻辑量子比特，将为人工智能、超级计算、以及其他混合应用程序带来更多的可能。

有了由100个可靠逻辑量子比特提供支持的混合超级计算机，我们将看到量子计算在科学探索方面的优势，

而当逻辑量子比特扩展到1,000个时，它将真正能够应用于解决商业问题。

展望

社会面临的许多最棘手的问题，如气候变化、粮食安全和能源危机，都是化学和材料科学问题。

然而，在可观测的宇宙中，可能的稳定分子和材料的数量可能会超过原子的数量。即使是十亿年的经典计算也不足以探索和评估它们。

无论是提高制药生产力还是开拓下一代可持续电池，加速科学发现都需要一个专门构建的混合计算平台。

研究人员需要在发现管道的正确阶段使用正确的工具，以有效地解决科学问题的每一层，并深入了解它们最重要的地方。

使用AI筛选海量数据集、使用高性能计算（HPC）缩小选项范围，或在未来利用扩展量子计算的强大功能提高模型准确性。

保真度和纠错对量子计算是如此重要。只有具有良好的保真度，我们才能为可靠地扩展量子计算机的规模，为解决现实世界问题奠定坚实的基础。

多年来，人们只能采用增加嘈杂的物理量子比特的数量，以及补偿该噪声的技术。

当今大多数NISQ机器的主要缺点是物理量子比特过于嘈杂且容易出错，无法实现强大的量子纠错。行业的基础组件不足以让量子纠错工作，这就是为什么更大的NISQ系统对于实际应用来说并不实用。

整个量子生态系统的任务是提高量子比特的保真度，并实现容错量子计算，以便我们可以使用量子机器来解锁以前棘手问题的解决方案。

为此，我们需要过渡到可靠的逻辑量子比特——通过将多个物理量子比特组合成逻辑量子比特，来防止噪声并维持长时间（即弹性）计算。

通过高质量的硬件组件和突破性的错误处理功能，今天，我们做到了这一点。

参考资料：

https://blogs.microsoft.com/blog/2024/04/03/advancing-science-microsoft-and-quantinuum-demonstrate-the-most-reliable-logical-qubits-on-record-with-an-error-rate-800x-better-than-physical-qubits/

文章来自微信公众号“新智元”，作者：alan