《科創(chuàng)板日報》9月11日訊（編輯 宋子喬） 當(dāng)?shù)貢r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最多的12個邏輯量子比特，并創(chuàng)造了有史以來最高的計(jì)算保真度，大秀了一把量子糾錯技術(shù)。

邏輯量子比特、量子糾錯、計(jì)算保真度，都是量子計(jì)算領(lǐng)域的重要概念，可以說，量子糾錯是開啟量子計(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)。隨著量子比特數(shù)量的增加，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈指數(shù)級增長。這意味著量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定類型的問題時，比如搜索和優(yōu)化問題，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)測新材料的性質(zhì)，這對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說是非常困難的。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)練過程，這對于處理大數(shù)據(jù)和復(fù)雜模型非常有用，能推動機(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，但同時也可以開發(fā)出新的量子加密技術(shù)，提供更高級的通信安全。

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)，一個重要阻礙便在于，單個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)算錯誤，量子糾錯技術(shù)至關(guān)重要。

邏輯量子比特：“1+1>2”的量子糾錯技術(shù)

科學(xué)家通過引入邏輯量子比特的方式提高量子信息的穩(wěn)定性和錯誤容忍能力，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物理量子比特通過特定的量子糾錯碼來編碼。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誤的影響。如果其中一個物理量子比特發(fā)生錯誤，可以通過量子糾錯過程來檢測并修正錯誤，而不會影響到邏輯量子比特的整體狀態(tài)。

簡單來說就是，邏輯量子是多個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誤，確保整個邏輯量子比特的穩(wěn)定性，起到“1+1>2”的維穩(wěn)糾偏效果。這樣，即使其中一個物理量子比特出錯，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”，其量子糾錯技術(shù)使得邏輯量子比特的錯誤率比單獨(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？

新突破離不開兩個關(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。

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)算的故障容錯機(jī)制），它通過使用一種特殊的量子糾錯碼來保護(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)，它通過將16個物理量子比特排列成一個四維空間中的超立方體，從而保護(hù)邏輯量子）。該代碼通過犧牲部分效率，極大地提高了糾錯性能，能夠有效地檢測和糾正量子比特中的錯誤，

Azure Quantum量子比特虛擬化平臺是微軟提供的量子云計(jì)算服務(wù)，旨在利用軟件層面來增強(qiáng)硬件的穩(wěn)定性和精度，可以動態(tài)管理多個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)測了一個化學(xué)催化劑的基態(tài)能量。這種模擬對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說幾乎是不可能實(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，來解決科學(xué)問題。

可以預(yù)見的是，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間。

目前，微軟正積極推動量子計(jì)算商業(yè)化，通過Azure Quantum平臺向外提供量子計(jì)算服務(wù)，用戶可通過該平臺獲取Quantinuum、IonQ、PASQAL、Rigetti等量子計(jì)算公司的解決方案。

國內(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，國內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)近年來不斷取得突破。

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國產(chǎn)稀釋制冷機(jī)是我國科技創(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)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平；

4月25日，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院向國盾量子交付了一款504比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“驍鴻”，此款芯片是國內(nèi)首顆超500比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片，刷新了國內(nèi)超導(dǎo)量子比特數(shù)量的紀(jì)錄，性能可比肩國際主流芯片,可以高效承載各領(lǐng)域用戶對有實(shí)用價值的問題和算法開展研究；

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，我國量子計(jì)算技術(shù)也迎來了重要突破。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)國內(nèi)首個量子分子對接應(yīng)用，依托我國第三代自主超導(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告之中。隨后在7月5日，工信部部長金壯龍進(jìn)一步表示適度超前布局未來產(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、原子級制造、深?？仗扉_發(fā)等領(lǐng)域。

未來隨著政策端、產(chǎn)業(yè)端持續(xù)演進(jìn)，國內(nèi)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)有望持續(xù)拓展。