自從實體學家費曼（Richard Feynman）在80年代首次提出了利用量子力學原理進行計算的概念，無數科學家就夢想着用量子計算重塑未來。可惜現實往往“磕磕絆絆”，40多年過去了，量子計算依然囿于實驗室，難以真正落地應用。
然而，這一現狀迎來了轉機。周三，微軟在官網釋出了一系列部落格文章和論文，宣布在量子糾錯領域獲得突破性進展，大幅推動了量子計算機的落地進度：
通過将微軟的量子比特虛拟系統（qubit-virtualization system），錯誤診斷和改正手段（error diagnostics and correction），與Quantinuum公司的離子阱硬體（trapped-ion hardware）相結合，迄今為止最可靠的邏輯量子比特被創造出來。相較于單個實體量子比特，這種邏輯量子比特的錯誤率改善了800倍。
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具體來說，僅利用30個實體量子比特，微軟成功建構了4個高度可靠的邏輯量子比特。在14000次試驗中，這4個邏輯量子比特運作始終平穩如初，未現任何錯誤。
這一突破之是以備受關注，是因為長期以來，管理和糾正量子誤差一直是阻礙量子計算機真正落地的最大障礙。量子系統由于易受噪聲和退相幹現象的影響，極易導緻量子态失常、計算出現錯誤。此外，不精确的量子門操作和測量過程也可能引入誤差，使之逐漸累積，影響最終結果的準确性。
是以，即便擁有再多量子比特，量子計算機也難以完全發揮其超強的并行處理能力，這就是為什麼到目前為止，量子計算機僅用于研究和實驗的主要原因。而微軟和Quantinuum這一突破，正是為解決這一挑戰邁出的關鍵一步。
那麼微軟是怎麼做到的呢？
在量子計算機中，基本機關被稱為“量子比特（quantum bit）”或“量子位（qubit）”。與傳統計算機中隻能代表0或1的最小資料機關“bit”不同，量子比特可以同時處于0和1的疊加态，讓每個量子比特同時執行兩個計算。
這是量子計算機擁有超越傳統計算機的計算能力的關鍵所在：量子計算機中通過量子力學連接配接的量子比特越多，其計算能力就可以以指數方式增長。
量子計算機大約每千次操作就會出現一個錯誤，通常有兩種方式來降低錯誤率：
1、提高單個實體量子比特及其上執行的操作的品質，其中包括最大限度地減少溫度波動或電磁幹擾等因素造成的外部噪音；利用不易退相幹的先進材料；開發更精确的量子門操作等。
2、使用邏輯量子比特進行糾錯，将多個實體量子比特組合成更可靠的虛拟量子比特。
此次突破主要通過第2種途徑實作。微軟僅使用30個實體量子比特就建構出了4個高度可靠的邏輯量子比特。相較于先前的研究，這種量子糾錯政策所需的實體量子比特數量預期至少為1000個，是以這是一個巨大的飛躍。
“主動症狀提取（Active Syndrome Extraction）”，一種微軟新開發的，能夠在不破壞邏輯量子比特的情況下進行診斷和糾正錯誤的方法，也在這次突破中發揮了重要作用。
測量量子态（如疊加态）的行為通常會破壞它。為了避免這種情況，“主動症狀提取”并不關注量子比特的量子态，而是學習與噪聲相關的量子比特細節。具備考慮噪聲的能力可以讓更長更複雜的量子計算順利進行，而不會出現故障，同時也不會破壞邏輯量子比特。微軟稱它在2個邏輯量子比特上運作了多輪的“主動症狀提取”。
微軟展示了如何進行糾纏量子比特的準備工作（如下圖）。 虛線内的部分是用于建立糾纏态的電路的粗略表示。A 和 B 代表可應用于狀态每一半的測量值。 在沒有錯誤的情況下，如果應用于每一半的測量類型相同，則一半的結果應與另一半的結果一緻。
下圖展示了糾纏的量子比特之間的差異（誤差）：通過比較一對量子比特中每個量子比特的圖像可以發現差異，存在的任何差異都會以點的形式出現在每對量子比特的之間的圖塊上。實體量子比特對之間存在錯誤，第一排中間圖塊中的“小點”就證明了這一點。 相比之下，糾纏的邏輯量子比特之間不存在任何錯誤，從第二排中間的不存在“小點”的空白圖塊中可以看出。
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微軟邁入量子計算機發展的韌性階段
微軟報告稱，最新的突破标志着其在量子計算機的第2個發展階段中獲得了先機，并計劃在不久的将來在 Azure Quantum Elements 的私人預覽版中提供這些功能。
我們先來回顧一下，7個月前微軟戰略任務和技術部門執行副總裁Jason Zander在LinkedIn上關于量子計算機發展的3個階段的介紹：
第 1 級（Foundational-基礎）：這個階段廠商都專注于增加和宣傳一個虛榮的名額，即量子比特的數量，而忽略了保真度。保真度達到99%的NISQ系統隻能用于量子計算研發，無助于解決現實問題。
第 2 級（Resilient-韌性）：需要約 200 個以上的邏輯量子比特來進行一些基本的科學工作，這涉及使用邏輯量子比特來實施糾錯技術。目前（即截至2023年8月）還沒有供應商達到這個水準。
第 3 級（Scale-規模）：要解決最困難的科學問題，必須擁有至少一百萬次可靠的每秒量子運算 （rQOPS），且邏輯錯誤率隻有萬億分之一。這涉及擴充邏輯量子比特，以建立真正的量子超級計算機，能夠以高可靠性執行複雜的算法。
每個級别的成功标準都是通過邏輯量子比特錯誤率、邏輯量子比特數量和可擴充性等因素來衡量的。
在周三釋出的通稿中，這位副總裁表示，“這使我們擺脫了目前嘈雜的中尺度量子 (NISQ) 級别，進入到了2 級韌性量子計算階段。”根據他之前在LinkedIn上的長文，真正地實作2級，需要約 200 個以上的邏輯量子比特，這表明微軟還需要在實作更大規模的邏輯量子比特上繼續投入。
自 2019 年以來，微軟一直與 Quantinuum 合作，使量子開發人員能夠在離子阱量子比特技術上編寫和運作自己的量子代碼，其中包括高保真、完全連接配接和中電路測量。
此次實驗中，微軟使用的是Quantinuum新一代的量子計算機H2，它采用獨特的“跑道”設計使32 個量子比特實作全連接配接，這意味着 H2 中的每個量子比特都可以直接與系統中的任何其他量子比特成對糾纏。
Quantinuum 是全球最大的綜合量子計算公司，由 Cambridge Quantum 和 Honeywell Quantum Solutions 合并而成，專注于開發基于俘獲離子技術的量子計算系統。最近，該公司與谷歌旗下的 DeepMind 合作開展了一個項目，利用人工智能解決量子計算中的棘手問題。
除了與 Quantinuum 的合作之外，微軟在量子領域還進行了頗多布局。例如，它直接投資了專注于為量子計算提供光子技術的公司 Photonic Inc. ，并與之建立了合作夥伴關系；此外，它還成為了緻力于利用矽光子量子比特打造首台通用量子計算機的 PsiQuantum 的重要投資者。
量子超級計算機會在10年内誕生？
憑借量子力學原理，量子計算機可在密碼學、材料科學、藥物研發等領域實作指數級的運算加速，大幅提升人類的資訊處理能力，甚至重塑未來社會的資訊基礎設施。是以，量子計算被視為最具有颠覆性的技術之一，将引領人類社會進入全新的資訊時代，科技巨頭們都在加大在該領域的投入力度。
作為量子計算研究領域的上司者之一，谷歌專注于建構自己的量子硬體。開發了一種超導量子比特設計，并持續努力提高其相幹時間和可擴充性，以建構更大規模的量子計算機。
在軟體和雲內建方面，谷歌擁有得天獨厚的優勢和積累。它不僅開發了TensorFlow Quantum等工具，用于設計和運作量子機器學習模型，還在自己的雲平台上提供基于Sycamore 處理器的量子虛拟機服務。
坐擁全球市場佔有率第一的雲服務AWS的亞馬遜則更集中精力在基于雲的量子計算資源方面：通過與其他量子硬體開發商合作，提供相關的雲服務。
AWS還是量子計算領域開源軟體與協作的堅定倡導者，與加州理工學院合作推出 AWS 量子計算中心，以加速該領域的研究與開發。此外，它還釋出了 Amazon Braket 等開源軟體工具，用于在各類硬體平台上設計與運作量子電路。
以硬體見長的IBM也在這場競賽中全力以赴。不僅公布了計劃在2033年推出“具有 1,000 個邏輯量子比特的以量子為中心的超級計算機”，還在官網上挂出了“未來的計算是以量子為核心”的口号。
與IBM不謀而合的是，微軟在去年6月推出了“充滿野心”的路線圖，計劃在10年内推出一台每秒可進行百萬次可靠計算的量子超級計算機。
當時看來，無論對IBM還是微軟而言，這都是一個難以企及的目标。但随着可靠量子計算的突破，量子比特虛拟化系統的不斷改進，以及硬體能力的持續提升，這一目标或許并不遙遠。