微軟稱在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得大進(jìn)展，量子超級(jí)計(jì)算機(jī)能在2033年問世？

微軟量子糾錯(cuò) 量子超級(jí)計(jì)算機(jī)

原創(chuàng) 王茜茜 | 2024-04-08 22:22

【數(shù)據(jù)猿導(dǎo)讀】即便擁有再多量子比特，量子計(jì)算機(jī)也難以完全發(fā)揮其超強(qiáng)的并行處理能力，這就是為什么到目前為止，量子計(jì)算機(jī)僅用于研究和實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵一步。

微軟稱在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得大進(jìn)展，量子超級(jí)計(jì)算機(jī)能在2033年問世？

自從物理學(xué)家費(fèi)曼（Richard Feynman）在80年代首次提出了利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算的概念，無數(shù)科學(xué)家就夢(mèng)想著用量子計(jì)算重塑未來?？上КF(xiàn)實(shí)往往“磕磕絆絆”，40多年過去了，量子計(jì)算依然囿于實(shí)驗(yàn)室，難以真正落地應(yīng)用。

然而，這一現(xiàn)狀迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。周三，微軟在官網(wǎng)發(fā)布了一系列博客文章和論文，宣布在量子糾錯(cuò)領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展，大幅推動(dòng)了量子計(jì)算機(jī)的落地進(jìn)度：

通過將微軟的量子比特虛擬系統(tǒng)（qubit-virtualization system），錯(cuò)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(jié)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(gè)物理量子比特，這種邏輯量子比特的錯(cuò)誤率改善了800倍。

微軟_量子糾錯(cuò)_量子超級(jí)計(jì)算機(jī)-1

Credit: Microsoft

具體來說，僅利用30個(gè)物理量子比特，微軟成功構(gòu)建了4個(gè)高度可靠的邏輯量子比特。在14000次試驗(yàn)中，這4個(gè)邏輯量子比特運(yùn)行始終平穩(wěn)如初，未現(xiàn)任何錯(cuò)誤。

這一突破之所以備受關(guān)注，是因?yàn)殚L期以來，管理和糾正量子誤差一直是阻礙量子計(jì)算機(jī)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(dǎo)致量子態(tài)失常、計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤。此外，不精確的量子門操作和測(cè)量過程也可能引入誤差，使之逐步累積，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，即便擁有再多量子比特，量子計(jì)算機(jī)也難以完全發(fā)揮其超強(qiáng)的并行處理能力，這就是為什么到目前為止，量子計(jì)算機(jī)僅用于研究和實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵一步。

那么微軟是怎么做到的呢？

在量子計(jì)算機(jī)中，基本單位被稱為“量子比特（quantum bit）”或“量子位（qubit）”。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中只能代表0或1的最小數(shù)據(jù)單位“bit”不同，量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)，讓每個(gè)量子比特同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)計(jì)算。

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

量子計(jì)算機(jī)大約每千次操作就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，通常有兩種方式來降低錯(cuò)誤率：

1、提高單個(gè)物理量子比特及其上執(zhí)行的操作的質(zhì)量，其中包括最大限度地減少溫度波動(dòng)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(jìn)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(jìn)行糾錯(cuò)，將多個(gè)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(shí)現(xiàn)。微軟僅使用30個(gè)物理量子比特就構(gòu)建出了4個(gè)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(cuò)策略所需的物理量子比特?cái)?shù)量預(yù)期至少為1000個(gè)，因此這是一個(gè)巨大的飛躍。

“主動(dòng)癥狀提取（Active 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(jìn)行診斷和糾正錯(cuò)誤的方法，也在這次突破中發(fā)揮了重要作用。

測(cè)量量子態(tài)（如疊加態(tài)）的行為通常會(huì)破壞它。為了避免這種情況，“主動(dòng)癥狀提取”并不關(guān)注量子比特的量子態(tài)，而是學(xué)習(xí)與噪聲相關(guān)的量子比特細(xì)節(jié)。具備考慮噪聲的能力可以讓更長更復(fù)雜的量子計(jì)算順利進(jìn)行，而不會(huì)出現(xiàn)故障，同時(shí)也不會(huì)破壞邏輯量子比特。微軟稱它在2個(gè)邏輯量子比特上運(yùn)行了多輪的“主動(dòng)癥狀提取”。

微軟展示了如何進(jìn)行糾纏量子比特的準(zhǔn)備工作（如下圖）。虛線內(nèi)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(yīng)用于狀態(tài)每一半的測(cè)量值。在沒有錯(cuò)誤的情況下，如果應(yīng)用于每一半的測(cè)量類型相同，則一半的結(jié)果應(yīng)與另一半的結(jié)果一致。

微軟_量子糾錯(cuò)_量子超級(jí)計(jì)算機(jī)-2

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(duì)量子比特中每個(gè)量子比特的圖像可以發(fā)現(xiàn)差異，存在的任何差異都會(huì)以點(diǎn)的形式出現(xiàn)在每對(duì)量子比特的之間的圖塊上。物理量子比特對(duì)之間存在錯(cuò)誤，第一排中間圖塊中的“小點(diǎn)”就證明了這一點(diǎn)。相比之下，糾纏的邏輯量子比特之間不存在任何錯(cuò)誤，從第二排中間的不存在“小點(diǎn)”的空白圖塊中可以看出。

微軟_量子糾錯(cuò)_量子超級(jí)計(jì)算機(jī)-3

Credit: Microsoft

微軟邁入量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的韌性階段

微軟報(bào)告稱，最新的突破標(biāo)志著其在量子計(jì)算機(jī)的第2個(gè)發(fā)展階段中獲得了先機(jī)，并計(jì)劃在不久的將來在 Azure Quantum Elements 的私人預(yù)覽版中提供這些功能。

我們先來回顧一下，7個(gè)月前微軟戰(zhàn)略任務(wù)和技術(shù)部門執(zhí)行副總裁Jason Zander在LinkedIn上關(guān)于量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的3個(gè)階段的介紹：

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

第 2 級(jí)（Resilient-韌性）：需要約 200 個(gè)以上的邏輯量子比特來進(jìn)行一些基本的科學(xué)工作，這涉及使用邏輯量子比特來實(shí)施糾錯(cuò)技術(shù)。目前（即截至2023年8月）還沒有供應(yīng)商達(dá)到這個(gè)水平。

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

每個(gè)級(jí)別的成功標(biāo)準(zhǔn)都是通過邏輯量子比特錯(cuò)誤率、邏輯量子比特?cái)?shù)量和可擴(kuò)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(dāng)前嘈雜的中尺度量子 (NISQ) 級(jí)別，進(jìn)入到了2 級(jí)韌性量子計(jì)算階段。”根據(jù)他之前在LinkedIn上的長文，真正地實(shí)現(xiàn)2級(jí)，需要約 200 個(gè)以上的邏輯量子比特，這表明微軟還需要在實(shí)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(shù)上編寫和運(yùn)行自己的量子代碼，其中包括高保真、完全連接和中電路測(cè)量。

此次實(shí)驗(yàn)中，微軟使用的是Quantinuum新一代的量子計(jì)算機(jī)H2，它采用獨(dú)特的“跑道”設(shè)計(jì)使32 個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)全連接，這意味著 H2 中的每個(gè)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(duì)糾纏。

Quantinuum 是全球最大的綜合量子計(jì)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(shù)的量子計(jì)算系統(tǒng)。最近，該公司與谷歌旗下的 DeepMind 合作開展了一個(gè)項(xiàng)目，利用人工智能解決量子計(jì)算中的棘手問題。

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

量子超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)在10年內(nèi)誕生？

憑借量子力學(xué)原理，量子計(jì)算機(jī)可在密碼學(xué)、材料科學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)指數(shù)級(jí)的運(yùn)算加速，大幅提升人類的信息處理能力，甚至重塑未來社會(huì)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。因此，量子計(jì)算被視為最具有顛覆性的技術(shù)之一，將引領(lǐng)人類社會(huì)進(jìn)入全新的信息時(shí)代，科技巨頭們都在加大在該領(lǐng)域的投入力度。

作為量子計(jì)算研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一，谷歌專注于構(gòu)建自己的量子硬件。開發(fā)了一種超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)，并持續(xù)努力提高其相干時(shí)間和可擴(kuò)展性，以構(gòu)建更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。

在軟件和云集成方面，谷歌擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和積累。它不僅開發(fā)了TensorFlow Quantum等工具，用于設(shè)計(jì)和運(yùn)行量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型，還在自己的云平臺(tái)上提供基于Sycamore 處理器的量子虛擬機(jī)服務(wù)。

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

AWS還是量子計(jì)算領(lǐng)域開源軟件與協(xié)作的堅(jiān)定倡導(dǎo)者，與加州理工學(xué)院合作推出 AWS 量子計(jì)算中心，以加速該領(lǐng)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(tái)上設(shè)計(jì)與運(yùn)行量子電路。

以硬件見長的IBM也在這場(chǎng)競賽中全力以赴。不僅公布了計(jì)劃在2033年推出“具有 1,000 個(gè)邏輯量子比特的以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，還在官網(wǎng)上掛出了“未來的計(jì)算是以量子為核心”的口號(hào)。

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(jì)劃在10年內(nèi)推出一臺(tái)每秒可進(jìn)行百萬次可靠計(jì)算的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)。

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

來源：數(shù)據(jù)猿

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