①量子糾錯(cuò)是開(kāi)啟量子計(jì)算大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵鑰匙,科學(xué)家引入邏輯量子比特以提高量子信息的穩(wěn)定性; ②邏輯量子是多個(gè)物理量子比特組成的一組量子比特,可起到“1+1>2”的維穩(wěn)糾偏效果; ③微軟正積極推動(dòng)量子計(jì)算商業(yè)化,通過(guò)Azure Quantum平臺(tái)向外提供量子計(jì)算服務(wù)。
《科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)》9月11日訊(編輯 宋子喬) 當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月10日,微軟和量子計(jì)算龍頭公司Quantinuum宣布取得一項(xiàng)重大突破,他們成功糾纏了有史以來(lái)最多的12個(gè)邏輯量子比特,并創(chuàng)造了有史以來(lái)最高的計(jì)算保真度,大秀了一把量子糾錯(cuò)技術(shù)。
邏輯量子比特、量子糾錯(cuò)、計(jì)算保真度,都是量子計(jì)算領(lǐng)域的重要概念,可以說(shuō),量子糾錯(cuò)是開(kāi)啟量子計(jì)算大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵鑰匙。
量子計(jì)算是一種利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息處理的技術(shù)。與傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算相比,量子計(jì)算的主要優(yōu)勢(shì)在于:
(1)強(qiáng)大的計(jì)算能力:相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能處理“0”和“1”兩種狀態(tài),量子比特(qubit)可以同時(shí)處于“0”和“1”的疊加態(tài),這讓它在理論上可以以極快的速度完成大規(guī)模計(jì)算任務(wù)。隨著量子比特?cái)?shù)量的增加,量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這意味著量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定類(lèi)型的問(wèn)題時(shí),比如搜索和優(yōu)化問(wèn)題,比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多;
(2)應(yīng)用空間更廣闊:量子計(jì)算機(jī)天然適合模擬其他量子系統(tǒng),這對(duì)于化學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域的研究具有重要意義。它可以模擬分子和化學(xué)反應(yīng),預(yù)測(cè)新材料的性質(zhì),這對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是非常困難的。另外,量子計(jì)算機(jī)在理論上可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練過(guò)程,這對(duì)于處理大數(shù)據(jù)和復(fù)雜模型非常有用,能推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的發(fā)展;
(3)加密和安全:量子計(jì)算機(jī)在理論上能夠破解許多現(xiàn)有的加密算法,但同時(shí)也可以開(kāi)發(fā)出新的量子加密技術(shù),提供更高級(jí)的通信安全。
量子計(jì)算有巨大的潛力,然而,其目前還處于發(fā)展的早期階段,存在許多技術(shù)和物理挑戰(zhàn),一個(gè)重要阻礙便在于,單個(gè)物理量子比特非常脆弱,容易受到外界環(huán)境的干擾,且量子門(mén)操作的保真度需要非常高,任何不完美都可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤,量子糾錯(cuò)技術(shù)至關(guān)重要。
邏輯量子比特:“1+1>2”的量子糾錯(cuò)技術(shù)
科學(xué)家通過(guò)引入邏輯量子比特的方式提高量子信息的穩(wěn)定性和錯(cuò)誤容忍能力,以克服物理量子比特的上述缺陷。
邏輯量子比特通常由多個(gè)物理量子比特通過(guò)特定的量子糾錯(cuò)碼來(lái)編碼。這些物理量子比特的集合可以保護(hù)邏輯量子比特免受局部錯(cuò)誤的影響。如果其中一個(gè)物理量子比特發(fā)生錯(cuò)誤,可以通過(guò)量子糾錯(cuò)過(guò)程來(lái)檢測(cè)并修正錯(cuò)誤,而不會(huì)影響到邏輯量子比特的整體狀態(tài)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是,邏輯量子是多個(gè)物理量子比特組成的一組量子比特,其中的物理量子比特可以相互糾正錯(cuò)誤,確保整個(gè)邏輯量子比特的穩(wěn)定性,起到“1+1>2”的維穩(wěn)糾偏效果。這樣,即使其中一個(gè)物理量子比特出錯(cuò),另外的物理量子仍然可以提供足夠的信息保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。
微軟和Quantinuum的突破就在于他們刷新了邏輯量子比特的數(shù)量,建立了更牢靠的量子計(jì)算“隊(duì)伍”,其量子糾錯(cuò)技術(shù)使得邏輯量子比特的錯(cuò)誤率比單獨(dú)的物理量子比特低了800倍。這一成就是量子計(jì)算邁向可靠、實(shí)用計(jì)算的關(guān)鍵一步。
微軟是怎么做到的?
新突破離不開(kāi)兩個(gè)關(guān)鍵要素:作為硬件的H2離子阱量子計(jì)算機(jī),以及作為軟件的Azure Quantum量子比特虛擬化平臺(tái)。
H2離子阱量子計(jì)算機(jī)是由Quantinuum公司推出的一種高性能量子計(jì)算系統(tǒng)。該量子計(jì)算機(jī)使用微軟的Tesseract代碼(一種用于量子計(jì)算的故障容錯(cuò)機(jī)制),它通過(guò)使用一種特殊的量子糾錯(cuò)碼來(lái)保護(hù)量子信息(Tesseract代碼本質(zhì)上是一種四維超立方體結(jié)構(gòu),它通過(guò)將16個(gè)物理量子比特排列成一個(gè)四維空間中的超立方體,從而保護(hù)邏輯量子)。該代碼通過(guò)犧牲部分效率,極大地提高了糾錯(cuò)性能,能夠有效地檢測(cè)和糾正量子比特中的錯(cuò)誤,
Azure Quantum量子比特虛擬化平臺(tái)是微軟提供的量子云計(jì)算服務(wù),旨在利用軟件層面來(lái)增強(qiáng)硬件的穩(wěn)定性和精度,可以動(dòng)態(tài)管理多個(gè)物理量子比特之間的協(xié)作,確保邏輯量子比特保持穩(wěn)定,從而可以有效協(xié)調(diào)物理量子比特的操作,減少錯(cuò)誤發(fā)生的幾率。
量子計(jì)算、AI、HPC首次協(xié)同解決科學(xué)問(wèn)題
值得注意的是,微軟和Quantinuum的此次突破并非局限于理論,而是兼顧應(yīng)用端,向人們展示了量子計(jì)算解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
研究人員將高可靠性邏輯量子比特、云計(jì)算和AI技術(shù)結(jié)合,進(jìn)行了復(fù)雜的化學(xué)模擬,成功預(yù)測(cè)了一個(gè)化學(xué)催化劑的基態(tài)能量。這種模擬對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)樗枰幚順O為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。
據(jù)微軟介紹,這是首次將HPC、AI和量子計(jì)算硬件結(jié)合,來(lái)解決科學(xué)問(wèn)題。
可以預(yù)見(jiàn)的是,量子計(jì)算將極大地縮短科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新產(chǎn)品甚至新物種誕生所用的時(shí)間。
目前,微軟正積極推動(dòng)量子計(jì)算商業(yè)化,通過(guò)Azure Quantum平臺(tái)向外提供量子計(jì)算服務(wù),用戶可通過(guò)該平臺(tái)獲取Quantinuum、IonQ、PASQAL、Rigetti等量子計(jì)算公司的解決方案。
國(guó)內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)有望持續(xù)拓展
IBM、微軟、谷歌等海外科技巨頭均深耕于量子計(jì)算,先后發(fā)布路線圖,與此同時(shí),國(guó)內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)近年來(lái)不斷取得突破。
稀釋制冷機(jī)在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行中扮演著舉足輕重的角色,SL400國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)是我國(guó)科技創(chuàng)新企業(yè)首次在量子計(jì)算的極低溫制冷技術(shù)上取得的重大突破,其性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平;
4月25日,中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院向國(guó)盾量子交付了一款504比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“驍鴻”,此款芯片是國(guó)內(nèi)首顆超500比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片,刷新了國(guó)內(nèi)超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)量的紀(jì)錄,性能可比肩國(guó)際主流芯片,可以高效承載各領(lǐng)域用戶對(duì)有實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題和算法開(kāi)展研究;
本源量子研發(fā)團(tuán)隊(duì)的第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”在今年1月6日正式上線運(yùn)行,向全球用戶開(kāi)放,接收全球量子計(jì)算任務(wù)。該量子計(jì)算機(jī)搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”,是目前中國(guó)最先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī);
在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,我國(guó)量子計(jì)算技術(shù)也迎來(lái)了重要突破。近期,蚌埠醫(yī)科大學(xué)與本源量子計(jì)算科技(合肥)股份有限公司達(dá)成戰(zhàn)略合作,雙方將聯(lián)合研發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè)量子分子對(duì)接應(yīng)用,依托我國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī),以量子算力加速小分子藥物研發(fā)流程并提高藥物設(shè)計(jì)效率。
另外,我國(guó)量子計(jì)算相關(guān)政策頻發(fā),今年3月,量子計(jì)算首次被列入政府工作報(bào)告之中。隨后在7月5日,工信部部長(zhǎng)金壯龍進(jìn)一步表示適度超前布局未來(lái)產(chǎn)業(yè),聚焦人形機(jī)器人、腦機(jī)接口、元宇宙、下一代互聯(lián)網(wǎng)、6G、量子科技、原子級(jí)制造、深??仗扉_(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。
未來(lái)隨著政策端、產(chǎn)業(yè)端持續(xù)演進(jìn),國(guó)內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)有望持續(xù)拓展。