微軟及其Azure Quantum項目的合作方們一直在量子計算研究項目中開闢新的天地。最近，他們即將成功把邏輯量子比特的數量增加至四倍，而這只是今年開展的一系列重要量子研究項目中的最新成果。這些項目正顯著推進量子計算技術的各個關鍵方面，包括量子比特數量與糾錯能力。在本文中，我們將共同回顧微軟及其合作方Quantinuum及Atom Computing所取得的一系列重大突破。
低溫工程師們在微軟Azure Quantum開發實驗室工作
微軟的平台方案
在深入探討這些研究結果的細節之前，首先需要強調一點：微軟長久以來的成功，正源自其作為平台廠商的優良傳統。從歷史上看，微軟的主要技術成就都是建立在平台之上、並且由平台提供支持的，而這些平台就涵蓋了集成度高、可擴展性強、持續創新以及積極支持建立及發展開發者生態系統的基本特徵。
這之所以會成為一個重要問題，就是因為量子計算是一項需要以幾十年為單位來衡量其成功的技術。而更長的開發周期，自然離不開與其具備相同特性的配套平台。
Azure Quantum
微軟對量子技術的承諾，從其現有產品與長期計劃當中可見一斑。2019年，微軟發布了Azure Quantum——一套基於雲端的平台，配備有合作夥伴提供的離子阱與超導硬體。自建立以來，Azure Quantum已經發展成為一套專注於常規應用的強大平台。它提供來自五家參與量子計算廠商所研發的多種模式，以便開發人員可以對這些技術進行比較。該平台還提供適用於各類量子研究水平的多種硬體與軟體工具，充分滿足了從試水性質的研究人員、到對量子計算具有深厚技術知識的量子科學家們的現實需求。
在Azure Quantum Elements中協同運作的計算組件
Azure Quantum Elements是Azure Quantum之內的一套特殊平台，專門為化學家和材料科學家們打造。它使用高性能計算（HPC）、AI加速計算和量子工具進行高級研究與建模。該平台擁有多種高級功能，以加速科學發現的推進步伐。例如，它具有生成式化學AI來設計、優化和指定所創建新分子的屬性。它還使用加速DFT（代表密度泛函理論）來解決量子力學形式的化學問題，用以確定分子特性。
然而，更重要的是Azure Quantum Elemtns平台在構建方式上預留了充足的空間，可以將其他科學領域的自定義應用嵌入其中。其不僅限於化學與材料科學；相反，這種關注是基於業界對這些領域在量子計算場景下應用潛力的最新認識。微軟對此同樣抱有信心，堅信其他應用（包括生命科學問題）也將在這套平台上找到適用的解決方案。
《福布斯》曾在2024年1月發表關於微軟與太平洋西北國家實驗室聯合研究項目，文章分析了這套平台的強大功能，該項目嘗試運用AI和高性能計算模擬3200萬種新型候選材料（但當時的量子計算負載尚未被集成至Azure Quantum Elements之內）。簡而言之，該項目能夠生成新的候選材料，並在其中進行超加速搜索，從而找到可作為鋰離子潛在替代選項的高效可充電電池材料。該項目成功對3200萬種候選材料進行了篩選，在逐步處理後遴選出最合適的單一材料類型。
微軟量子硬體合作夥伴概述
QUantinuum的System Model H2離子阱量子電腦晶片，展示了「賽道」阱設計方案
一直關注量子計算的朋友對於Quantinuum的大名可能並不陌生，該公司一路從隱身模式到開發出Honeywell量子解決方案，如今終於以Quantinuum的名號成為量子研究領域的一股重要力量。在與微軟合作的研究項目中，Quantinuum使用其最新一代模型H2量子電腦。這套系統採用鐿的同位素建立量子比特，並使用鋇離子進行冷卻。
值得注意的是，Quantinuum採用一種被稱為量子電荷耦合器件（QCCD）的先進離子捕捉架構。該器件通過將幾個離子一次性移動到位於量子晶片策略位置的四個區域之一，來執行高保真量子操作。各區域允許Quantinuum並行執行多項量子操作，從而提高計算速度和效率。
從短期來看，Quantinuum的願景是開發出配備有百個左右可靠邏輯量子比特的混合超級電腦。至於長遠計劃，該公司希望將混合電腦擴展至擁有約1000個可靠邏輯量子比特，從而運行超越當今傳統超級電腦能力的應用方案。
2025年，Quantinuum還將推出一款新的H系列量子電腦Helios，它將進一步增加物理量子比特的數量並提高物理量子比特的保真度。這兩項指標的強化，使得其擁有更廣泛的糾錯碼集並可使用更多個邏輯量子比特。
與此同時，H2機型還擁有一系列出色的參數指標：56個完全連接量子比特、單量子比特門保真度為99.99%，雙量子比特門保真度為99.87%且量子體積（用于衡量量子電腦的算力大小）為2,097,152。
預計實現商業量子優勢所需要的邏輯量子比特數量
Atom Computing的第一台中性原子量子電腦，是以使用鍶-87原子作為量子比特的平台之上。在此之後，該公司對其量子比特的選擇發生了變化。其最新量子電腦採用的是鐿原子，能夠擴展至1200個量子比特以上。
這一變化顯然出於合理的技術訴求。最近一項研究得出結論，稱鐿-171很可能就是量子比特的最佳選擇。下面的內容可能有點硬核，適合對物理細節感興趣的朋友。鐿-171的核自旋為1/2，而鍶-87同位素的自旋更加複雜，為9/2。用更簡單的語言來解釋，就是說鐿在其最低能量狀態下只有兩個可以訪問的量子能級。因此與更複雜的其他原子結構相比，鐿原子的狀態更容易操縱和測量。9/2自旋中包含更多的層，因此需要更多的控制場，這會令複雜性提高並導致基於鍶的量子計算系統更易出錯。
Atom Computing的方案大大簡化了整個過程，其使用類似鑷子的雷射來捕捉、控制並排列單個鐿原子，將其構成一個陣列。對於100個量子比特的場景，該陣列可以是10 x 10；對於1225個量子比特，該陣列可以是35 x 35。請注意，陣列不必是正方形，而可以排列成其他開關，甚至可以排列成3D形態。這項共同設計成果的另一項關鍵優勢，就是陣列的布局可以針對微軟的量子比特虛擬化方案進行優化。
Atom Computing的新型鐿處理器仍在開發當中。另外儘管已經完成了與微軟合作推進的多個研究項目，但這些實驗的結果尚未對外公布。
聊聊突破性研究成果
2024年4月，微軟和Quantinuum的科學家們利用量子比特虛擬化技術，將量子錯誤率大幅降低至原本的1/800。這種方法使得Quantinuum的高保真H2離子阱量子電腦得以與微軟的量子比特虛擬化系統相結合。兩家公司還取得了另外一項突破，在30個物理量子比特當中創建了4個穩定的邏輯量子比特，從而實現了創紀錄的低錯誤率。所謂邏輯量子比特，就是通過使用多個糾纏的物理量子比特編碼的虛擬量子比特。環境因素引起的錯誤會破壞量子比特的量子態，但對於這類發生在物理量子比特上的錯誤，可以使用來自其他量子比特的資訊將其恢復至可靠邏輯量子比特的正確狀態。
這一突破為後來開發更多邏輯量子比特以及更可靠的量子電腦奠定了基礎，讓這些量子電腦能夠解決遠超傳統電腦能力範圍的複雜問題。
2024年6月，微軟宣布推出生成式化學（Generative Chemistry）與加速DFT。該公司認為，這些技術將增強Azure Quantum Elements的科研輔助能力，有望把未來250年的化學研究壓縮在25年以內解決。對於基於數億種化合物訓練而成的AI模型，生成式化學已經成為其生成新分子並實現研究應用的重要前提。生成式化學平台能夠將原本需要耗時數年的候選物合成方法與工作流程縮短至幾天，前文提到的3200萬種鋰離子電池候選材料篩選就充分證明了這一點。
加速DFT則允許研究人員通過模擬量子力學特性來加快並擴展化學發展流程。通過集成雲基礎設施並為GPU創新新的算法，加速DFT可以在不犧牲準確性的前提下實現高速計算，從而使其執行速度比其他DFT代碼快上一個數量級。
2024年9月，運用從早期量子比特研究中獲得的數據和經驗，微軟和Quantinuum再次聯手創建了12個邏輯量子比特——較4月份創建的4量子比特有了很大進步。在這項業界首創的研究當中，全部12個邏輯量子比特均使用經過優化的[[16,4,4]]碼進行糾纏。這些結果提高了量子的可靠性和可擴展性，使得該技術距離攻克當今超級電腦無法解決的問題又近了一步。
通往量子優勢之路
化學研究、氣候變化、物流計算、製藥工藝、實時金融衍生品設計等一系列最具挑戰性的全球問題，已經遠遠超出了傳統超級電腦的能力範圍。量子計算的每一次進步都有助於解決這些關乎整個人類社會的重大議題。
據估計，解決上述類型的問題將需要一台集成量子超級電腦，其糾錯量子比特規模將高達百萬甚至更多。以Azure Quantum計算平台為模型，微軟、Quantinuum以及Atom Computing似乎正在朝著這個目標邁進。雖然還沒有明確的時間表，但從量子計算研究的總體態勢來看，我們距離將邏輯量子比特以指數級方式擴展至足以構建真正實用且強大的量子電腦的水平已經越來越近。因此哪怕不出現預料之外的重大技術突破，現有研究項目也完全有希望一步一個腳印地積累算力、成功解決一個又一個難題。
就個人看來，Azure Quantum Elements已經勾勒出了未來一、二十年間，最強大的集成經典量子計算技術將呈現出怎樣的形態。目前的它是微軟打造量子超級電腦的基石，正努力整合一切重要的計算技術成果。更重要的是，除了積極的研究產出之外，參與項目的每家公司都對協作過程本身表現出極高熱情，同時也為整體結果做出了巨大貢獻。
Atom Computing公司CEO兼創始人Ben Bloom就評論稱，「微軟擁有世界一流的硬體團隊。而我們主要與其軟體團隊合作，分享他們多年來在量子糾錯方面的思考和嘗試。他們有很多思路都適合在我們的系統上進行驗證。總之，已經有大量精心籌備的實驗準備就緒，只待在世人面前驚艷亮相。」
