Quantinuum与微软的合作取得了重大突破，将可靠量子计算带入了新的时代。他们结合了Quantinuum的System Model H2量子计算机和微软创新的量子比特虚拟化系统，在逻辑量子比特领域取得了800倍于物理电路错误率的突破。这一创新不仅影响深远，加速了量子计算的进展，也挑战了传统对大规模可靠量子计算时间表的认知。
这一工作的主要创新点包括：可靠逻辑量子比特的实现，实时量子错误校正协议的开发以及对量子计算硬件架构的优化。这一突破解决了量子计算中关键的错误校正问题，为量子计算走向实用化提供了关键支持。接下来我们具体解读一下该工作的重大意义。
容错性：量子计算的巨大挑战
量子计算机的概念由来已久，近些年也是成果不断。谷歌于2019年10月23日宣布取得了量子霸权。他们构建了一台计算机，能够在200秒内完成一个计算，而这个计算对于最快的超级计算机来说需要大约10,000年。但是，你可能会好奇，谷歌都已经宣布量子霸权了，量子计算不早就很成功了吗？量子霸权其实只是一种宣传策略，实际情况远非你以为的那样。
量子计算机基于量子纠缠态，量子纠缠神秘，迷人，又强大，是量子计算的根基。然而，量子纠缠态功能强大的另一面是它非常脆弱，要想维护这一纠缠态需要十分苛刻的物理条件，如果还想在其基础上进行计算同时又不破坏这一纠缠态，更是难上加难。因此，实际上我们要给谷歌2019年的量子霸权加上一系列的限定条件：
- 在苛刻的物理条件下，很短暂的时间内，特殊的场景下实现了量子霸权。
距离真正可以商用，还遥远的很啊！这里关键的问题就是让量子比特变得更加稳定，正如谷歌在2021年的一篇文章中指出的那样，量子设备的发展方向就是降低量子比特的错误率！
2023年2月，谷歌团队宣称：
目前，我们第三代Sycamore处理器 上的量子比特的错误率通常为 1/10,000 到 1/100。通过我们和其他人的工作，我们了解到开发大规模量子计算机需要更低的错误率。我们需要 (1/10)^9到 (1/10)^6范围内的错误率来运行能够解决工业相关问题的量子电路。
1/100的错误率意味着什么？每运行100次计算就可能宕机一次，这样的量子计算机还是太脆弱了。
逻辑比特：另辟蹊径
量子计算使用量子比特来存储和处理信息。然而，当今的量子比特容易出错，这限制了它们的实用性以及所有嘈杂的中型量子计算机的实用性。有两种方法可以减少这些错误：
- 提高物理量子比特及其操作的质量。
- 利用先进的技术将多个物理量子位组合成更可靠的虚拟量子位，通常称为逻辑比特。
仅仅增加高错误率的物理量子比特的数量（而不改善错误率）是徒劳的，因为这样做并不会导致量子计算机比现有的版本更强大。相反，当具有足够操作质量的物理量子比特与专门的编排和诊断系统一起使用以启用虚拟量子比特时，增加物理量子比特的数量才能产生功能强大、容错能力强的量子计算机，能够执行更长时间、更复杂的计算。
Quantinuum与微软的合作就采用了这样虚拟量子比特的方式。（谷歌又被超越了？😟）
强强联合
Quantinuum 是一家专注于量子计算的公司，Quantinuum 的离子阱量子比特具有高保真度、完全连接性和中途测量等特点，多项已发布的基准测试表明，Quantinuum 在获得最佳量子体积方面表现出色。其 H 系列离子阱量子比特具有出色的两比特门保真度（99.8%）。不过这个保真度对于一个可以商用的量子计算机来说依然是太低了！
2019年开始微软就与 Quantinuum 合作，帮助量子开发人员在离子阱量子比特技术上编写和运行自己的量子代码。通过将微软的量子比特虚拟化系统应用于 Quantinuum 的硬件，这一次，已经成功地运行了14,000个独立的量子电路实例，而没有出现任何错误。
借助我们的量子比特虚拟化系统，我们能够仅从 Quantinuum 机器上可用的 32 个物理量子比特中的 30 个创建四个高度可靠的逻辑量子比特。纠缠时，这些逻辑量子比特的电路错误率为 10-5或 0.00001，这意味着它们每 100,000 次运行只会出错一次。这比从纠缠物理量子比特测得的 8×10 -3或 0.008 的电路错误率提高了 800 倍。
每 100,000 次运行只会出错一次，这已经是相当不错的一个成绩了！这一错误率距离2023年提出的(1/10)^9到 (1/10)^6范围内的错误率已经非常接近了！
展望未来
至此，我们确实可以展望一下商业可用量子计算机的出现了，难怪新闻报道说这一研究将会开启可靠量子计算的新时代~
Quantinuum公司宣称：2025年，我们将推出一款新的H系列量子计算机，Helios，它将发挥H系列的最佳优势，提高物理量子比特数量和物理保真度。这将使我们及我们的用户能够在更广泛的一组错误校正编码下降低阈值，并使该设备能够支持至少10个高度可靠的逻辑量子比特。短期内，借助由一百个可靠的逻辑量子比特驱动的混合超级计算机，我们相信组织将能够开始看到科学优势，并能够加速朝着人类所面临的一些最重要的问题的有价值的进展，例如模拟用于电池和氢燃料电池的材料或加速开发有意义的AI语言模型。长期来看，如果我们能够将可靠的逻辑量子比特扩展到接近1000个，我们将能够解锁最终可以改变商业世界的商业优势。
