加州理工学院的 "猫鼬 "成为阻碍量子计算进步的最新错误

去年，麦肯锡公司 发表了一份综合报告 镌刻出量子计算的未来轨迹。该报告被雄心勃勃地命名为《量子计算的崛起》。然而，这种雄心并非毫无根据。

麦肯锡表示，技术突破的加速、投资流量的增加以及初创企业生态系统的激增推动了量子计算的发展。

所有这些因素都是推动企业领导者规划强有力的量子计算战略的原因。麦肯锡为第三届年度量子技术监测报告所做的最新分析显示，化工、生命科学、金融和移动这四个行业可能最早受到量子计算的影响，到2035年，这些行业将获得高达$2万亿美元的收益。

量子计算要想按照麦肯锡的设想发展，就需要一个繁荣的创新生态系统。在这方面取得的最前沿的突破之一是，美国国家科学院（NASA）的科学家们在量子计算领域取得了重大突破。 加州理工学院校园内的 AWS 量子计算中心¹ 他们找到了一种抑制量子计算机错误的方法--这个问题可能成为制造未来量子机器的最大障碍。 

问题 "是什么？

由于量子计算机固有的对噪声的敏感性，要建造一台超越物理学小众研究领域的通用量子计算机仍然是一项挑战。研究人员发现，振动、热量、手机和 Wi-Fi 网络的电磁干扰，甚至来自外太空的宇宙射线和辐射，都会对量子比特（quantum bits）造成撞击，使其脱离量子状态，从而导致比经典计算机更多的错误。

为了更科学、更精确地阐述，这项名为 "通过串联玻色子量子比特实现硬件高效量子纠错 "的研究致力于构建包含量子纠错功能的量子计算机。它将一个逻辑量子比特冗余地编码在许多嘈杂的物理量子比特中。

Ocelot：解决方案

更简单地说，来自 AWS 和加州理工学院的科学家团队展示了一种新的量子芯片架构，该架构可利用一种 "瞬态 "技术抑制误差。 量子比特类型 被称为猫比特。

不过，"猫立方体 "并非新生事物，它最早于 2001 年被提出。从那时起，研究人员就开始不断开发和改进它们。该团队的突破性进展是创建了首个可扩展的猫量子位芯片，旨在有效减少量子误差。该芯片以斑点野猫的名字命名为 "Ocelot"，同时也参考了作为猫量子比特基础的内部 "振荡器 "技术。

研究人员认为，错误率必须比现在高出十亿倍。只有这样，量子计算机才能称得上成功。这项新发明将帮助我们更快地实现目标：

据 Oskar Painter（01 博士）介绍，John G Braun 是加州理工学院应用物理学和物理学教授，也是 AWS 量子硬件部门的负责人：

"误差率每两年下降约 2 倍。按照这个速度，我们需要 70 年才能达到我们需要的水平。相反，我们正在开发一种新的芯片架构，也许能让我们更快地达到目标。尽管如此，这只是一个早期的构件。我们还有很多工作要做。

研究人员在强调当前量子比特技术的缺点时说，这些技术可能需要数千个额外的量子比特才能提供所需的防错保护，这就好比报社雇用一大批事实核查员来验证文章的准确性，而不是只雇用一个小团队。这样一来，由于管理费用过高、过于笨重，整个流程就会崩溃。

加州理工学院布伦理论物理学教授兼 AWS 应用科学主任费尔南多-布兰当承认了这个问题。他说

"因此，我们正在尝试新的纠错方法，以减少开销"。

Ocelot 基金会的振荡技术

研究小组采用了一种由微波振荡器组成的超导电路构成的量子比特，其中代表量子比特的1和0状态被定义为两个不同的大规模振荡振幅。这种方法旨在使量子比特状态稳定，不受比特翻转错误的影响。

一旦解决了位翻转错误，另一个需要纠正的错误就是相位翻转错误。为了检测相位错误，Ocelot 芯片部署了四个辅助量子比特。

研究小组的简单重复代码能有效捕捉相位翻转错误，而且随着代码从三个猫量子位增加到五个猫量子位，效果也会有所改善。

研究的未来之路

目前，该演示还处于概念验证阶段。但是，参与这一过程的研究人员，如 Painter，对 Ocelot 所展示的性能感到非常兴奋。他说：

"这是一个很难解决的问题，我们需要继续投资于基础研究，同时与学术界正在进行的重要工作保持联系，并从中学习"。

正如 Painter 所暗示的，这些改进需要企业的支持。它需要投资来扩大规模。在下文中，我们将讨论几家在量子计算领域开展重要工作的公司。

1. 国际商业机器 (国际商业机器 +0.35%)

IBM 作为全球知名的科技巨头，将继续致力于 使量子计算实用化 量子计算。它运营着一个专门的部门--IBM Quantum，该部门通过 Qiskit（一个提供软件工具和服务的平台，用于创建实用程序的整体编程模型）提供对世界上最大的量子计算机群的访问。

例如，IBM 的 QuantumSafe 为企业的量子未来提供安全保障，免费提供 127 量子比特系统。此外，该平台还提供对系统、文档和学习资源的一站式访问。

公司致力于 负责任的量子计算.在这方面，公司的使命宣言是 "成为让世界运转得更好的催化剂"，并实施了 "负责任的量子倡议"，以确保我们的发展符合这一使命。

根据 IBM 的说法，"负责任的量子计算 "是指能够意识到其影响的量子计算。公司为开发和部署量子技术制定了五项 "负责任的量子原则"，团队在内部遵循这些原则。这些原则如下

• 产生积极的社会影响。
• 前瞻性地探索使用案例。
• 准确推广 IBM 产品
• 做出前后一致、有原则的决定
• 建立一个多样化和包容性的量子社区

随着 IBM Quantum™ 路线图的稳步推进，公司正在升级其量子平台，以提供企业级云服务。

更具体地说，该公司正在利用企业级基础架构进行升级。不过，为了保持对传统用户的无缝连接，公司将确保新 IBM Quantum Platform 的最终版本与我们现在使用的版本非常相似。

该公司将确保用户继续访问其传统的文档和学习资源。不过，此次升级将提高性能和增强功能，从而提升价值。

在具体功能方面，升级版将增强数据隐私和安全性、简化通知体验、改善平台导航、为使用英语以外语言的用户提供多种语言选项等。

为了提高公众的可访问性，IBM 建立了量子网络。该网络为企业、大学、实验室和行业领导者提供支持，帮助他们推进量子应用。成员可以访问学习资源、专家和活动，以加速研究和促进合作。

最近一个财政年度其中，IBM 实现营收 $628 亿美元，同比增长 1%，按固定汇率计算增长 3%。

在谈到公司业绩时，IBM 公司董事长、总裁兼首席执行官 Arvind Krishna 说：

"三年前，我们制定了一个增长更快、盈利能力更强的 IBM 的愿景。我为 IBM 团队为实现或超越我们的承诺所做的工作感到自豪。凭借我们专注的战略、增强的产品组合和创新文化，我们已经为2025年及以后的发展做好了充分准备，预计今年的收入将至少增长5%，自由现金流将达到约$135亿。"

2. 微软 (MSFT -1.95%)

另一个在量子计算领域做出开拓性工作的领先科技巨头是微软。它的愿景是通过业界领先的先进技术加速科学发现。

微软拥有 以下四种量子解决方案:

• 微软量子计算平台：实现新一代量子应用的平台。
• Azure 量子元素：它是一款专为加速科学发现而设计的解决方案。
• 量子硬件：旨在解锁量子超级计算机的解决方案。
• 量子网络：利用量子网络实现分布式量子计算的解决方案

如果我们从用户的角度来看待这些解决方案，不同的解决方案会提供不同的服务。例如，通过微软量子计算平台，可以获得最先进的量子硬件、可靠的逻辑量子比特、先进的人工智能模型和高性能计算模拟，从而加速科学发现。

Azure 量子元素解决方案通过高性能计算、人工智能和未来的量子计算机，帮助加速化学和材料科学的科学发现。

通过微软量子硬件，该公司正在设计一种量子超级计算机，使世界能够解决诸如逆转气候变化和改善粮食安全等问题。

最后，通过微软量子网络（Microsoft Quantum Networking），该公司旨在提供量子网络功能，以扩展量子集群并实现新的安全相关应用。

如果我们深入研究微软量子硬件，就会发现它确实是一个突破。之所以说它是一项突破，是因为它开创了只进行测量的量子计算--一种从根本上更简单的控制量子信息的方法。

在拓扑内核的支持下，微软的处理器可扩展至一百万比特，其计算能力足以应对人类在能源、医药等领域面临的最严峻挑战。

在这方面，我们可以看看微软公司在《自然》杂志上发表的题为《Inas-Al 混合器件中的干涉单次奇偶性测量》的论文。

总的来说，微软量子硬件基于以下基础支柱：

• 可扩展性：该解决方案旨在实现有用的量子计算
• 稳定性：它能抵御硬件层面的错误。
• 小：硬件能够在单个芯片中容纳 100 多万个量子比特。
• 快速：每次操作不超过 1 微秒。
• 可控：其电压脉冲提供精确的数字控制。

从 Azure Quantum Elements 的主要功能来看，其生成化学利用了生成式人工智能的力量，大大简化了具有所需性质的新型分子的发现和设计。加速 DFT 功能可在数小时内确定具有数千个原子的分子的性质，与其他 DFT 代码相比，速度大幅提高。

此外，开放的生态系统还有助于使用为 Azure 量子元件优化的熟悉软件解决方案。

微软的 Azure Quantum Elements 已帮助多家研究机构和公司提供了面向未来的解决方案。例如，联合利华利用微软超级计算和人工智能服务的力量，支持其研发转型和产品创新。

微软和西北太平洋国家实验室联手发现了一种新材料，有望制造出更好的电池。公司与 AspenTech 合作设计了量子化学工作流程。它还与庄信万丰公司联手，利用 Azure Quantum 加快氢燃料电池的创新。

微软与 1910 基因公司合作，为制药业提高研发效率；与 InQuanto 公司合作，加速量子计算化学的发展。总之，微软在展示量子计算如何有效促进未来的稳健和高效方面发挥了关键作用。

2024 年，微软成立 50 周年。 公司年收入超过 $2,450 亿美元同比增长 16%，营业收入超过 $109 亿美元，同比增长 24%。该公司明确表示，它专注于孵化对未来云计算和公司持续增长具有变革潜力的技术产品和支持解决方案，如量子计算和先进的科学人工智能。

在大型科技公司竭尽全力的同时，机构研究也不甘落后。我们以一项这样的突破性研究作为讨论的开端，最后再谈几项。

点击此处了解量子计算的现状。

关于量子计算研究的更多信息

2024 年 12 月，谷歌量子人工智能公司及其合作者在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。标题为 表面代码阈值以下的量子纠错.²

这项研究解决了量子纠错问题，这是实现实用量子计算的关键途径。通过将多个物理量子比特组合成一个逻辑量子比特，这种方法可以随着量子比特的增加，以指数方式抑制逻辑错误率。

因此，研究人员在其最新一代超导处理器 Willow 上展示了两种低于阈值的表面代码存储器，即与实时解码器集成的距离-7 代码和距离-5 代码。

结果非常显著。该系统在实时解码时保持了低于阈值的性能，在距离为 5 至 100 万个周期时，解码器平均延迟时间为 63 微秒，周期时间为 1.1 微秒。研究人员称，他们的研究表明，如果扩大规模，设备性能可以实现大规模容错量子算法的运行要求。

2022 年，IBM 的研究人员以纠错为重点，探索了一种名为 总编码、 一种新型代码，它能以无差错的方式存储量子信息，而硬件开销却很小。这将大大减少纠错的开销。

在《自然》杂志发表的一篇论文中，IBM 专门寻找了具有低量子位开销、高错误阈值和大码距的容错量子存储器。该公司声称，它通过数学分析找到了 qLDPC 代码的具体实例，这些代码符合容错、量子存储器、高错误阈值、大码距和低量子位开销等所有条件。

该公司声称，其代码属于 "双变量自行车（BB）"代码系列。它们不仅将影响 IBM 未来的研究，还将影响我们如何构建物理量子系统。

总之，实现量子优势的稳步进展还有很大的空间。到 2023 年，全球在量子技术领域的公共投资将达到 $42 亿美元，其中中国的政府投资将达到 $153 亿美元。

紧随其后的是德国、英国、美国和韩国等。技术先进的经济体正在加大对量子计算及相关技术的投资，这证明了量子计算的巨大潜力。我们现在看到的可能只是冰山一角。

点击此处查看五大量子计算公司名单。