微软联手Quantinuum开创量子计算商业应用新纪元

公告链接：

https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2024/04/03/how-microsoft-and-quantinuum-achieved-reliable-quantum-computing/

公告链接：

https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-and-microsoft-announce-new-era-in-quantum-computing-with-breakthrough-demonstration-of-reliable-qubits

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2404.02280

微软公司与全球领先的集成量子计算企业Quantinuum共同宣布了一项创新技术，旨在显著提升量子计算算法的准确度。这项技术致力于通过一种先进的量子比特虚拟化技术，结合离子捕获硬件，极大提升量子计算的可靠性。借助这种方法，微软和Quantinuum成功地从30个物理量子比特中，创造了四个极高可靠性的逻辑量子比特，并实现了错误率的800倍降低。

微软宣称，这项技术是基于“有史以来最可靠的逻辑量子比特”构建的，标志着量子计算技术向前迈出了重要一步。这家全球性公司还计划在未来几个月内，将这项革命性技术推向云计算市场，以期为客户提供更加高效、可靠的量子计算服务。

在这一领域的最新进展中，研究团队采用了微软的先进量子比特虚拟化技术及Quantinuum的尖端硬件进行创新。Quantinuum的H系列离子阱量子比特，搭配其独有的量子带电耦合设备架构，展现出了高达99.8%的双量子比特门保真度。结合微软的量子比特虚拟化系统，这两家公司在一项宣言中透露，他们已成功进行了超过14000次的实验而未记录到一次失败，这标志着通过验证和在不损害量子比特的前提下纠正任何错误的能力的突破。

微软和Quantinuum表示，开发人员使用新技术进行了超过14,000次实验，没有出现任何错误

利用这一技术，科学家们能够从Quantinuum的H2型捕获离子处理器中，仅使用30个物理量子比特便创造出四个高度可靠的逻辑量子比特。当这些逻辑量子比特纠缠时，它们的电路错误率降至10^-5（即0.00001），这意味着在每运行100,000次中仅会出错一次，相比之下，纠缠物理量子比特的电路错误率为8×10^-3（即0.008），错误率降低了800倍。

用于纠缠量子比特的准备工作的描述。虚线内的部分是用于创建纠缠态的电路的粗略表示。A和B代表可应用于每一半状态的测量。在没有误差的情况下，如果应用于每一半状态的测量类型相同，则一半状态的结果应与另一半状态的结果一致。令人印象深刻的是，在这一程序运行14000次之后，测量结果之间没有出现任何分歧

纠缠的量子比特之间的误差

这一成就不仅代表了在不破坏逻辑量子比特的前提下纠正错误的重大步伐，而且还是量子纠错领域的一个关键里程碑。微软表示，这项创新技术将量子计算从以往被称作“含噪声的中等规模量子计算”（NISQ）的阶段推进至一个更加强韧且无错误的新时代。

之所以将其称为“含噪声”，是因为即便是最微小的环境变化也能在系统中引入显著的随机性。从“含噪声”的中等规模量子计算向可靠量子计算过渡的三大基本准则包括：

- 实现逻辑错误率和物理错误率之间的较大分离；

- 纠正所有单个电路错误；

- 在至少两个逻辑量子比特之间产生纠缠。

微软表示：“这是我们首次证明这三大标准均已达成，开启了一个全新的时代——弹性量子计算时代。（resilient quantum computing）。”

微软公司的杰出工程师兼高级量子开发副总裁克瑞斯塔·斯沃尔（Krysta Svore）激动地表示：“我们在这里所取得的成就令我深感兴奋。我们证明了纠错不仅是可行的、有效的，而且极为可靠。”

该公司认为这是迄今为止在量子芯片上实现的最佳可靠量子比特比例。微软负责战略任务和技术的执行副总裁杰森·赞德（Jason Zander）表示：“这是我们在构建混合超级计算系统的道路上的一个重要里程碑，它将为众多行业的研究和创新带来变革。”

他补充说：“随着我们不断优化我们的方法，这些成果还将得到进一步提升。量子硬件、量子比特虚拟化和校正技术以及混合应用的集体进步，使我们能够最大化地利用人工智能和超级计算的潜力。”

长久以来，实用量子计算机的潜能引起了专家们极大的期待，这类计算机被寄望能够解决传统计算机难以应对的复杂问题。尽管量子计算机正逐步增大规模并增加复杂度，这一领域的突破仍然处于逐步实现的过程中。主要的挑战之一在于，目前所有的量子计算机都存在误差，且研究者发现在计算过程中有效捕获并纠正这些错误极为困难。

量子计算依赖量子比特来存储和处理数据。但是，当前的量子比特易于出错，这不仅限制了它们的功能，也限制了所有所谓的含噪声中等规模量子计算机(NISQ)的实用性。降低这些误差的方法主要有两种：

1）提升物理量子比特及其运行环境的质量。

2）利用高级技术将多个物理量子比特整合为更为可靠的虚拟量子比特，亦称为逻辑量子比特。

仅仅增加数量众多但错误率较高的物理量子比特并不会提升量子计算机的功能，因为这将不会使得量子计算机比之前更强大。相反，仅有当物理量子比特具有足够的运行质量，并与专门的协调和诊断系统结合使用以形成逻辑量子比特时，增加物理量子比特的数量才能够促进强大、容错的量子计算机的发展，使其能够执行更加长时间和复杂的计算任务。

据斯沃尔介绍，正是通过微软开发的一种特殊技术生成的逻辑量子比特，使得无误差或容错的实验得以反复进行。虽然单个量子比特很容易受到干扰，但在逻辑量子比特的层面上，研究人员能够不断地检测并纠正错误。

这种方法在最近的实验中证明极为成功，四个逻辑量子比特产生的误差仅为未组合的30个量子比特的0.125%。这意味着，逻辑量子比特产生一个错误的同时，未组合的量子比特将产生多达800个错误。

Quantinuum的詹妮弗·斯特拉布利（Jennifer Strabley）也对该团队的硬件给予高度评价，称其极适合进行新实验，因为它能高度控制量子比特，并且其量子计算机已达到了迄今最低的错误率。

在2023年，哈佛大学的研究团队及其合作伙伴，包括量子计算初创公司QuEra的成员，刷新了同时拥有48个逻辑量子比特的记录，这远超过了新设备的四个逻辑量子比特。但斯特拉布利指出，新设备每个逻辑量子比特所需的物理量子比特更少，且逻辑量子比特的错误率也低于哈佛团队的成果。她表示：“我们用更少的物理比特取得了更好的效果。”

尽管如此，在缺乏更多实验细节的情况下，这项新工作是否能够被视为量子纠错领域的突破还尚未定论。

实现可靠的量子计算被视为一项重要的里程碑，随着微软量子虚拟化技术的持续优化，这一进步预示着将开启新的可能性和科学发现。

量子计算面临的一大核心挑战是如何在不牺牲性能和可靠性的前提下，增加系统中量子比特的数量和提升其质量，即可扩展性问题。

新兴技术的发展预计将使量子计算机的能力大幅度提升，从而在模拟数百万分子和原子的相互作用等方面，达到传统计算机无法比拟的水平。

但是，行业专家指出，量子计算只是推进这些革命性进展的一部分。

在科学探索的每一步中，研究人员都需要借助恰当的工具，以有效地解决各种科学难题，并在最关键的领域提供深刻的见解。

赞德表示：“这正是我们所努力构建的——赋予组织改变研发的能力，无论是通过利用人工智能来分析庞大的数据集，还是利用高性能计算来缩小筛选范围，或是依托未来的量子计算能力来提升模型的精确度。”

同时，微软也表示，公司将继续投资于能够达到混合超级计算级别的技术。这要求在每一亿次运算中，逻辑量子比特产生的错误远低于一次。结合经典和量子计算能力的混合超级计算机，有望解决那些对于传统计算机而言过于复杂的重大商业问题。

为了实现这一级别的量子计算，微软正致力于开发一种具有内置错误校正能力和数码控制的量子比特，即所谓的拓扑量子比特。

量子计算通过应用量子物理学的原理，解开了传统计算机难以解决的问题的锁链。

举例来说，量子计算的潜能之一是模拟化学反应的具体过程，这可能会颠覆药物开发的传统途径，减少或完全消除实验室中进行化学实验的需求。

与传统计算机使用二进制的0和1不同，量子计算机运用量子比特，这些量子比特能够同时处于多个状态，从根本上增强了数据的存储与处理能力。目前，全球最大的科技企业已经开始利用大约100量子比特的计算机。然而，为了应对最为复杂的挑战，可能需要达到10万到100万量子比特的规模。

根据《财富商业洞察》的研究预测，到2030年，量子计算市场的规模预计将从去年的约9.288亿美元增长至65亿美元，年复合增长率达32.1%。

全球最大的经济体包括美国、俄罗斯、中国和日本，以及如IBM、英伟达、谷歌和微软等技术巨头都在量子计算领域投入重金。同时，Visa、摩根大通和大众汽车等公司也在探索量子技术的早期应用。

人们普遍认为，只有当量子计算机拥有至少100个逻辑量子比特时，才能有效解决化学或材料科学等领域的复杂问题。

目前的实验进展是量子计算向着实用化迈进的积极一步。尽管还有许多难题待解（这些成果也需复现验证），但理论上，一台配备了100个逻辑量子比特的计算机已能够着手解决特定问题，而一台具有1000个量子比特的计算机，正如微软所述，能够“释放商业潜力”。

虽然量子计算技术的潜力巨大，但它的广泛应用还将取决于其可获得性和成本效益。然而，当前，微软和Quantinuum所取得的进展无疑是量子计算迈向实用化的重要一步。

接下来的挑战是扩大规模。

尽管微软和Quantinuum都未具体透露达到100个可靠量子比特需要多少年，Quantinuum的首席产品官伊利亚斯·汗指出：“当前的进展至少让我们提前了两年，甚至可能更多。”两家公司都相信，通过长期合作，这一目标将能够在不远的将来实现。

“今天的公告将量子硬件提升到了2级，未来几个月，基于这些逻辑量子比特的高级功能将在Azure Quantum Elements的私有预览版中推出。我们将继续大力投资，以超越2级，达到量子超级计算的水平。在第3级，我们希望能够解决一些最具挑战性的问题，尤其是化学和材料科学等领域的问题，从而开启新的应用，将规模量子与经典超级计算和人工智能的精华结合在一起：所有这些都将连接在Azure Quantum云中。”

参考链接（上下滑动查看更多）：

[1]https://www.thenationalnews.com/future/technology/2024/04/03/microsofts-latest-breakthrough-in-quantum-computing-what-it-means/

[2]https://www.newscientist.com/article/2425243-microsoft-and-quantinuums-quantum-computer-may-be-most-reliable-yet/

[3]https://www.reuters.com/technology/microsoft-quantinuum-claim-breakthrough-quantum-computing-2024-04-03/

[4]https://techcrunch.com/2024/04/03/microsoft-and-quantinuum-say-theyve-ushered-in-the-next-era-of-quantum-computing/

[5]https://technologymagazine.com/articles/microsoft-quantinuum-to-accelerate-road-to-quantum

[6]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/

[7]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/

[8]https://thenextweb.com/news/quantinuum-microsoft-breakthrough-quiet-quantum-computing-noise

[9]https://www.techradar.com/pro/microsoft-makes-major-quantum-computing-breakthrough-development-of-most-stable-qubits-might-actually-make-the-technology-viable-for-many-but-will-anyone-be-able-to-afford-it

[10]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/quantinuum-and-microsoft-claim-breakthrough-in-quantum-error-correction-demonstrating-error-rates-800-times-lower/

[11]https://www.livescience.com/technology/computing/error-corrected-qubits-800-times-more-reliable-microsoft-quantinuum-breakthrough-next-level-quantum-computing

[12]https://www.wionews.com/business-economy/breakthrough-in-quantum-computing-microsoft-and-quantinuum-make-strides-707531

[13]https://www.fortunebusinessinsights.com/quantum-computing-market-104855

[14]https://techmonitor.ai/hardware/major-breakthrough-claimed-in-quantum-reliability