《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。