量子计算里程碑！

科创板日报 2024-09-11 19:53

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量子纠错是开启量子计算大规模商业化的关键钥匙，科学家引入逻辑量子比特以提高量子信息的稳定性。逻辑量子是多个物理量子比特组成的一组量子比特，可起到“1+1>2”的维稳纠偏效果。

作者 | 宋子乔

当地时间9月10日，微软和量子计算龙头公司Quantinuum宣布取得一项重大突破，他们成功纠缠了有史以来最多的12个逻辑量子比特，并创造了有史以来最高的计算保真度，大秀了一把量子纠错技术。

逻辑量子比特、量子纠错、计算保真度，都是量子计算领域的重要概念，可以说，量子纠错是开启量子计算大规模商业化的关键钥匙。

量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的技术。与传统的经典计算相比，量子计算的主要优势在于：

（1）强大的计算能力：相比传统计算机只能处理“0”和“1”两种状态，量子比特（qubit）可以同时处于“0”和“1”的叠加态，这让它在理论上可以以极快的速度完成大规模计算任务。随着量子比特数量的增加，量子计算机的计算能力呈指数级增长。这意味着量子计算机在处理某些特定类型的问题时，比如搜索和优化问题，比传统计算机快得多；

（2）应用空间更广阔：量子计算机天然适合模拟其他量子系统，这对于化学、材料科学和物理学等领域的研究具有重要意义。它可以模拟分子和化学反应，预测新材料的性质，这对于传统计算机来说是非常困难的。另外，量子计算机在理论上可以加速机器学习算法的训练过程，这对于处理大数据和复杂模型非常有用，能推动机器学习和人工智能的发展；

（3）加密和安全：量子计算机在理论上能够破解许多现有的加密算法，但同时也可以开发出新的量子加密技术，提供更高级的通信安全。

量子计算有巨大的潜力，然而，其目前还处于发展的早期阶段，存在许多技术和物理挑战，一个重要阻碍便在于，单个物理量子比特非常脆弱，容易受到外界环境的干扰，且量子门操作的保真度需要非常高，任何不完美都可能导致计算错误，量子纠错技术至关重要。

▌逻辑量子比特：“1+1>2”的量子纠错技术

科学家通过引入逻辑量子比特的方式提高量子信息的稳定性和错误容忍能力，以克服物理量子比特的上述缺陷。

逻辑量子比特通常由多个物理量子比特通过特定的量子纠错码来编码。这些物理量子比特的集合可以保护逻辑量子比特免受局部错误的影响。如果其中一个物理量子比特发生错误，可以通过量子纠错过程来检测并修正错误，而不会影响到逻辑量子比特的整体状态。

简单来说就是，逻辑量子是多个物理量子比特组成的一组量子比特，其中的物理量子比特可以相互纠正错误，确保整个逻辑量子比特的稳定性，起到“1+1>2”的维稳纠偏效果。这样，即使其中一个物理量子比特出错，另外的物理量子仍然可以提供足够的信息保证计算结果的准确。

微软和Quantinuum的突破就在于他们刷新了逻辑量子比特的数量，建立了更牢靠的量子计算“队伍”，其量子纠错技术使得逻辑量子比特的错误率比单独的物理量子比特低了800倍。这一成就是量子计算迈向可靠、实用计算的关键一步。

▌微软是怎么做到的？

新突破离不开两个关键要素：作为硬件的H2离子阱量子计算机，以及作为软件的Azure Quantum量子比特虚拟化平台。

H2离子阱量子计算机是由Quantinuum公司推出的一种高性能量子计算系统。该量子计算机使用微软的Tesseract代码（一种用于量子计算的故障容错机制），它通过使用一种特殊的量子纠错码来保护量子信息（Tesseract代码本质上是一种四维超立方体结构，它通过将16个物理量子比特排列成一个四维空间中的超立方体，从而保护逻辑量子）。该代码通过牺牲部分效率，极大地提高了纠错性能，能够有效地检测和纠正量子比特中的错误，

Azure Quantum量子比特虚拟化平台是微软提供的量子云计算服务，旨在利用软件层面来增强硬件的稳定性和精度，可以动态管理多个物理量子比特之间的协作，确保逻辑量子比特保持稳定，从而可以有效协调物理量子比特的操作，减少错误发生的几率。

▌量子计算、AI、HPC首次协同解决科学问题

值得注意的是，微软和Quantinuum的此次突破并非局限于理论，而是兼顾应用端，向人们展示了量子计算解决实际问题的能力。

研究人员将高可靠性逻辑量子比特、云计算和AI技术结合，进行了复杂的化学模拟，成功预测了一个化学催化剂的基态能量。这种模拟对于传统计算机来说几乎是不可能实现的，因为它需要处理极为复杂的计算任务。

据微软介绍，这是首次将HPC、AI和量子计算硬件结合，来解决科学问题。

可以预见的是，量子计算将极大地缩短科学发现和新产品甚至新物种诞生所用的时间。

目前，微软正积极推动量子计算商业化，通过Azure Quantum平台向外提供量子计算服务，用户可通过该平台获取Quantinuum、IonQ、PASQAL、Rigetti等量子计算公司的解决方案。

▌国内量子计算产业有望持续拓展

IBM、微软、谷歌等海外科技巨头均深耕于量子计算，先后发布路线图，与此同时，国内量子计算产业近年来不断取得突破。

稀释制冷机在超导量子计算机的运行中扮演着举足轻重的角色，SL400国产稀释制冷机是我国科技创新企业首次在量子计算的极低温制冷技术上取得的重大突破，其性能指标已经达到国际同类产品的先进水平；

4月25日，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院向国盾量子交付了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，此款芯片是国内首颗超500比特的超导量子计算芯片，刷新了国内超导量子比特数量的纪录，性能可比肩国际主流芯片,可以高效承载各领域用户对有实用价值的问题和算法开展研究；

本源量子研发团队的第三代自主超导量子计算机“本源悟空”在今年1月6日正式上线运行，向全球用户开放，接收全球量子计算任务。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机；

在生物医药领域，我国量子计算技术也迎来了重要突破。近期，蚌埠医科大学与本源量子计算科技（合肥）股份有限公司达成战略合作，双方将联合研发国内首个量子分子对接应用，依托我国第三代自主超导量子计算机，以量子算力加速小分子药物研发流程并提高药物设计效率。

另外，我国量子计算相关政策频发，今年3月，量子计算首次被列入政府工作报告之中。随后在7月5日，工信部部长金壮龙进一步表示适度超前布局未来产业，聚焦人形机器人、脑机接口、元宇宙、下一代互联网、6G、量子科技、原子级制造、深海空天开发等领域。

未来随着政策端、产业端持续演进，国内量子计算产业有望持续拓展。