編輯：編輯部 HXY【新智元導(dǎo)讀】微軟宣布了創(chuàng)紀錄的12個糾纏邏輯量子比特，首次實現(xiàn)了端到端量子+AI+云化學分子的模擬。這一創(chuàng)舉，意味著人類已經(jīng)進入量子計算新紀元。人類進入量子計算新時代！剛剛，微軟官宣創(chuàng)造了有史以來，記錄中性能最佳的「邏輯量子比特」12個。而且，這是數(shù)量最多、保真度最高的量子糾纏比特。這是通過改進Quantinuum領(lǐng)先的量子計算機H2（56物理量子比特），才取得如今這一突破性的進展。
這證明了，微軟在世界級糾錯方面的專業(yè)能力。僅用了不到3個月的時間，他們便將可靠的邏輯量子比特數(shù)，增加了3倍。此外，將所有12個邏輯量子比特糾纏在一個復(fù)雜狀態(tài)中，進行「更深層次」的量子計算時，相較于對應(yīng)的物理量子比特，電路錯誤率提高了22倍。
這些結(jié)果，均在Azure Quantum計算平臺上完成，并利用離子阱硬件實現(xiàn)了邏輯量子比特的規(guī)�；嬎恪Ｗ钭屓伺d奮的是，微軟展示了首個端到端的化學模擬。AI可以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，量子可以實現(xiàn)復(fù)雜計算和精度更高結(jié)果，直接研發(fā)過程從幾年時間，壓縮至短短幾天。
未來，可擴展量子計算將為科學發(fā)現(xiàn)鋪平道路，特別是在化學、物理和生命科學領(lǐng)域。與此同時，微軟還宣布與Atom計算聯(lián)手打造世界上最強大的計算機，下一步實現(xiàn)1000+高性能的邏輯量子比特。
有網(wǎng)友稱，如果有了充足的能源，從量子計算角度來看，計算成本將降至0（特別是對于訓練AI模型）。到了那時，Scaling Law就真的終結(jié)了。我們正處在量子AI時代邊緣。12個邏輯量子比特創(chuàng)紀錄
微軟和Quantinuum創(chuàng)世之舉的實現(xiàn)，離不開兩個關(guān)鍵要素：一個是Azure Quantum量子比特虛擬化平臺，另一個是H2離子阱量子計算機。
3個月，數(shù)量增加3倍今年4月，微軟和Quantinuum曾聯(lián)手將量子比特虛擬化系統(tǒng)，應(yīng)用與H系列離子阱捕獲量子比特。沒想到，他們在H2上從30個物理量子比特中，創(chuàng)建了4個邏輯量子比特，創(chuàng)下當時新紀錄。而且，其邏輯層面的錯誤率比物理錯誤率，要強800倍。而現(xiàn)在，微軟通過擴展微軟糾錯算法，并對H2進行優(yōu)化。由此，改進后的H2量子計算機，實現(xiàn)了56個量子比特，雙量子比特保真度為99.8%。在此基礎(chǔ)上，團隊解鎖了12個高度可靠的邏輯量子比特。
此前，在貝爾態(tài)（Bell state）準備中，他們將兩個邏輯量子比特糾纏在一起。而在這項研究中，所有的12個邏輯量子比特，以更復(fù)雜的排列糾纏，可以稱為CAT態(tài)，或Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）。當這些邏輯量子比特糾纏在一起時，它們的電路錯誤率為0.0011。這要比相應(yīng)的物理量子比特的電路錯誤率（0.024），提升了22倍。8個量子比特，5輪重復(fù)糾錯為了進一步驗證，研究人員進行了幾個使用改進的邏輯量子比特容錯型計算。在8個邏輯量子比特上，能夠成功進行5輪重復(fù)糾錯。此外，8個邏輯量子比特被用在糾錯過程中，執(zhí)行容錯型計算，成功展現(xiàn)了邏輯糾纏操作與多輪量子糾錯的結(jié)合。它們的電路錯誤率為0.002，相較于相應(yīng)的物理量子比特，提高了11倍。這也是微軟首次展示，計算和糾錯結(jié)合的強大優(yōu)勢，并且邏輯量子比特能夠可靠執(zhí)行更加深入的量子計算，進而為容錯量子計算鋪平了道路。首個端到端化學模擬，加速科學發(fā)現(xiàn)
那么，微軟開展的量子計算實驗，究竟有什么用？最終，是為了加速科學發(fā)現(xiàn)。對此，研究人員開展了端到端化學模擬，將云HPC、AI、高可靠性量子計算結(jié)合，創(chuàng)造了一個混合式工作流。在量子計算中，2個邏輯量子比特（通過量子比特虛擬化系統(tǒng)和H1創(chuàng)建），用于構(gòu)建一個重要催化中間體的活性空間基態(tài)，再進行測量
圖1 首次通過AutoRXN預(yù)測的P-N-N-P鐵催化劑反應(yīng)途徑，這些途徑對反應(yīng)產(chǎn)物功能具有顯著影響然后，再將測量結(jié)果交由AI，估算活性空間的基態(tài)能量。這是首次將HPC、AI和量子計算硬件結(jié)合，來解決科學問題。接下來，具體闡述微軟如何通過這樣一個混合工作流，完成在化學領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。
首先，研究團隊在Azure Quantum Elements中，使用AutoCAS和AutoRXN進行高性能計算（HPC）模擬，分別識別催化劑的活性空間和反應(yīng)途徑。然后，他們優(yōu)化了用于自定義量子算法中的錯誤檢測代碼，以在兩個邏輯量子比特上模擬活性空間的量子行為。接著，使用了一種稱為經(jīng)典陰影的方法，測量邏輯量子比特，以生成經(jīng)典數(shù)據(jù)。這一方法利用測量結(jié)果，作為經(jīng)典數(shù)據(jù)來訓AI模型，進而了解分子的量子性質(zhì)。在然后，將這種「陰影數(shù)據(jù)」與AI模型結(jié)合，確定催化劑的化學性質(zhì)，并估算達到化學精度的活性空間基態(tài)能量（圖2）。為了方便比較，研究人員對物理量子比特，也進行了類似的計算。
圖2 使用物理量子比特和邏輯量子比特，估算活性空間基態(tài)能量時所達到準確性的比較圖。邏輯量子比特計算產(chǎn)生更好的基態(tài)能量估算，可能性高達97%。化學精度限制在，以經(jīng)典計算得出的真實基態(tài)能量1.6mHa以內(nèi)通過經(jīng)典計算方法，得出催化劑活性空間的基態(tài)能量，最終評估基于混合量子和AI結(jié)果的準確性。使用量子比特解決這個問題，并未展現(xiàn)出科學量子的優(yōu)勢，因為經(jīng)典計算機也可得出。然而，對于一些復(fù)雜化學問題，經(jīng)典計算放大不太可能以高精度方法解決，因此量子計算機就是不二選擇。以上，便是整個化學模擬的全過程，這一概念得到驗證，說明了兩個問題：- 首個使用量子計算、高性能計算（HPC）和AI來模擬和解決化學問題端到端工作流程演示。- 量子力學問題以高度準確性得到解決。比起物理量子比特，邏輯量子比特基態(tài)能量估算更好。這些成就展示了在科學量子優(yōu)越性方面的持續(xù)進展，當量子-經(jīng)典混合超級計算機能夠解決，傳統(tǒng)計算機無法單獨解決的科學問題時，量子計算里程碑就實現(xiàn)了。
量子計算，迎來新時代
谷歌之外，微軟在量子計算上投下重注。納德拉曾公開表示，混合現(xiàn)實、人工智能和量子計算是未來數(shù)年「塑造」世界的三種開創(chuàng)性技術(shù)。
微軟正在迎來計算新時代，在量子計算中的突破，是為了釋放科學潛能，應(yīng)對世界上一些最緊迫的挑戰(zhàn)。這也是Azure Quantum首個可靠量子計算平臺，誕生的原因之一。他們希望，通過這一平臺，可以讓量子計算規(guī)�；�5個月前，微軟等展示了可靠性比物理量子比特，高800倍的邏輯量子比特，并宣稱已進入利用可靠量子計算機解決實際問題下一階段。因為，如今的嘈雜中等規(guī)模量子計算機（NISQ），主要問題是物理量子比特噪聲太大且易出錯，并在實際應(yīng)用中不可靠。而且，僅僅通過增加物理量子比特，不足以實現(xiàn)文件的量子糾錯。這就是為什么，需要過渡到可靠的、高保真的邏輯量子比特。通用多個物理量子比特結(jié)合，可以抵御噪聲，并在長時間計算中保持相干性。
不過，量子計算并不是孤立存在的，它需要與云HPC的強大功能深度集成。因此，新一代混合量子應(yīng)用程序，才可以解決人類當前最緊迫的挑戰(zhàn)開創(chuàng)更加可持續(xù)能源方案，拯救生命的治療方法。Azure Quantum計算平臺能夠提供多種硬件架構(gòu)的量子計算，而且支持業(yè)界領(lǐng)先的混合量子應(yīng)用程序。所有的程序都放置在，一個安全、統(tǒng)一、可擴展的云環(huán)境中。
創(chuàng)建新一代混合量子應(yīng)用程序通過將高性能計算、AI和量子技術(shù)相結(jié)合，整合到同一個云平臺Azure Quantum上，微軟正在開創(chuàng)一種新的計算范式。Azure Quantum能夠利用多種量子比特架構(gòu)和多種芯片，使量子應(yīng)用程序無縫執(zhí)行，從而為各種應(yīng)用領(lǐng)域提供加速計算，比如生成化學和密度泛函理論（DFT）。AI在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，和量子在復(fù)雜計算中前所未有精度形成了互補，構(gòu)成了強大的計算基礎(chǔ)，提供了一個安全、統(tǒng)一且可擴展的混合計算環(huán)境。
這使得創(chuàng)新者能夠開發(fā)出最佳方案，解決經(jīng)典計算機上難以處理甚至無法解決的問題。這種差異化的計算棧中，研究人員在適當?shù)碾A段使用量子工具，加上Copilot的工作流協(xié)同、開發(fā)者工具、經(jīng)典超算、AI協(xié)同推理和多模態(tài)模型，以迭代循環(huán)的方式推進。在微軟看來，這種方式能迸發(fā)出巨大的力量，或許能將研發(fā)和解決方案的工程周期，從幾年縮短到幾天。
