編輯：編輯部 HXY
【新智元導讀】微軟宣布了創紀錄的12個糾纏邏輯量子比特，首次實作了端到端量子+AI+雲化學分子的模拟。這一創舉，意味着人類已經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，這是數量最多、保真度最高的量子糾纏比特。
這是通過改進Quantinuum領先的量子計算機H2（56實體量子比特），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能力。
僅用了不到3個月的時間，他們便将可靠的邏輯量子比特數，增加了3倍。
此外，将所有12個邏輯量子比特糾纏在一個複雜狀态中，進行「更深層次」的量子計算時，相較于對應的實體量子比特，電路錯誤率提高了22倍。
這些結果，均在Azure Quantum計算平台上完成，并利用離子阱硬體實作了邏輯量子比特的規模化計算。
最讓人興奮的是，微軟展示了首個端到端的化學模拟。
AI可以處理大規模資料，量子可以實作複雜計算和精度更高結果，直接研發過程從幾年時間，壓縮至短短幾天。
未來，可擴充量子計算将為科學發現鋪平道路，特别是在化學、實體和生命科學領域。
與此同時，微軟還宣布與Atom計算聯手打造世界上最強大的計算機，下一步實作1000+高性能的邏輯量子比特。
有網友稱，如果有了充足的能源，從量子計算角度來看，計算成本将降至0（特别是對于訓練AI模型）。到了那時，Scaling Law就真的終結了。
我們正處在量子AI時代邊緣。
12個邏輯量子比特創紀錄
微軟和Quantinuum創世之舉的實作，離不開兩個關鍵要素：
一個是Azure Quantum量子比特虛拟化平台，另一個是H2離子阱量子計算機。
3個月，數量增加3倍
今年4月，微軟和Quantinuum曾聯手将量子比特虛拟化系統，應用與H系列離子阱捕獲量子比特。
沒想到，他們在H2上從30個實體量子比特中，建立了4個邏輯量子比特，創下當時新紀錄。
而且，其邏輯層面的錯誤率比實體錯誤率，要強800倍。
而現在，微軟通過擴充微軟糾錯算法，并對H2進行優化。由此，改進後的H2量子計算機，實作了56個量子比特，雙量子比特保真度為99.8%。
在此基礎上，團隊解鎖了12個高度可靠的邏輯量子比特。
此前，在貝爾态（Bell state）準備中，他們将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，以更複雜的排列糾纏，可以稱為CAT态，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。
這要比相應的實體量子比特的電路錯誤率（0.024），提升了22倍。
8個量子比特，5輪重複糾錯
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輪重複糾錯。
此外，8個邏輯量子比特被用在糾錯過程中，執行容錯型計算，成功展現了邏輯糾纏操作與多輪量子糾錯的結合。
它們的電路錯誤率為0.002，相較于相應的實體量子比特，提高了11倍。
這也是微軟首次展示，計算和糾錯結合的強大優勢，并且邏輯量子比特能夠可靠執行更加深入的量子計算，進而為容錯量子計算鋪平了道路。
首個端到端化學模拟，加速科學發現
那麼，微軟開展的量子計算實驗，究竟有什麼用？
最終，是為了加速科學發現。
對此，研究人員開展了端到端化學模拟，将雲HPC、AI、高可靠性量子計算結合，創造了一個混合式工作流。
論文位址：https://arxiv.org/pdf/2409.05835
在量子計算中，2個邏輯量子比特（通過量子比特虛拟化系統和H1建立），用于建構一個重要催化中間體的活性空間基态，再進行測量
如下圖1所示。
圖1 首次通過AutoRXN預測的P-N-N-P鐵催化劑反應途徑，這些途徑對反應産物功能具有顯著影響
然後，再将測量結果交由AI，估算活性空間的基态能量。
這是首次将HPC、AI和量子計算硬體結合，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，完成在化學領域中的實際應用。
首先，研究團隊在Azure Quantum Elements中，使用AutoCAS和AutoRXN進行高性能計算（HPC）模拟，分别識别催化劑的活性空間和反應途徑。
然後，他們優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拟活性空間的量子行為。
接着，使用了一種稱為經典陰影的方法，測量邏輯量子比特，以生成經典資料。
這一方法利用測量結果，作為經典資料來訓AI模型，進而了解分子的量子性質。
在然後，将這種「陰影資料」與AI模型結合，确定催化劑的化學性質，并估算達到化學精度的活性空間基态能量（圖2）。
為了友善比較，研究人員對實體量子比特，也進行了類似的計算。
圖2 使用實體量子比特和邏輯量子比特，估算活性空間基态能量時所達到準确性的比較圖。邏輯量子比特計算産生更好的基态能量估算，可能性高達97%。化學精度限制在，以經典計算得出的真實基态能量1.6mHa以内
通過經典計算方法，得出催化劑活性空間的基态能量，最終評估基于混合量子和AI結果的準确性。
使用量子比特解決這個問題，并未展現出科學量子的優勢，因為經典計算機也可得出。
然而，對于一些複雜化學問題，經典計算放大不太可能以高精度方法解決，是以量子計算機就是不二選擇。
以上，便是整個化學模拟的全過程，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來模拟和解決化學問題端到端工作流程示範。
- 量子力學問題以高度準确性得到解決。比起實體量子比特，邏輯量子比特基态能量估算更好。
這些成就展示了在科學量子優越性方面的持續進展，當量子-經典混合超級計算機能夠解決，傳統計算機無法單獨解決的科學問題時，量子計算裡程碑就實作了。
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，混合現實、人工智能和量子計算是未來數年「塑造」世界的三種開創性技術。
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，應對世界上一些最緊迫的挑戰。
這也是Azure Quantum——首個可靠量子計算平台，誕生的原因之一。
他們希望，通過這一平台，可以讓量子計算規模化。
5個月前，微軟等展示了可靠性比實體量子比特，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，如今的嘈雜中等規模量子計算機（NISQ），主要問題是實體量子比特噪聲太大且易出錯，并在實際應用中不可靠。
而且，僅僅通過增加實體量子比特，不足以實作檔案的量子糾錯。
這就是為什麼，需要過渡到可靠的、高保真的邏輯量子比特。
通用多個實體量子比特結合，可以抵禦噪聲，并在長時間計算中保持相幹性。
不過，量子計算并不是孤立存在的，它需要與雲HPC的強大功能深度內建。
是以，新一代混合量子應用程式，才可以解決人類目前最緊迫的挑戰——開創更加可持續能源方案，拯救生命的治療方法。
Azure Quantum計算平台能夠提供多種硬體架構的量子計算，而且支援業界領先的混合量子應用程式。
所有的程式都放置在，一個安全、統一、可擴充的雲環境中。
建立新一代混合量子應用程式
通過将高性能計算、AI和量子技術相結合，整合到同一個雲平台Azure Quantum上，微軟正在開創一種新的計算範式。
Azure Quantum能夠利用多種量子比特架構和多種晶片，使量子應用程式無縫執行，進而為各種應用領域提供加速計算，比如生成化學和密度泛函理論（DFT）。
AI在大規模資料處理方面的優勢，和量子在複雜計算中前所未有精度形成了互補，構成了強大的計算基礎，提供了一個安全、統一且可擴充的混合計算環境。
這使得創新者能夠開發出最佳方案，解決經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，研究人員在适當的階段使用量子工具，加上Copilot的工作流協同、開發者工具、經典超算、AI協同推理和多模态模型，以疊代循環的方式推進。
在微軟看來，這種方式能迸發出巨大的力量，或許能将研發和解決方案的工程周期，從幾年縮短到幾天。