近日，量子计算领域再获新突破。

来自微软和量子计算公司 Quantinuum 的研究团队宣布，已经成功创建了 12 个逻辑量子比特，这是截至目前数量最多、计算保真度最高的逻辑量子比特。

与此同时，该团队通过使用 2 个逻辑量子比特结合人工智能模型、高性能计算，准确估算了重要催化中间体活性空间的基态能量，展示了量子计算在化学领域的实际应用。

将逻辑量子比特数目提高 3 倍

单个物理量子比特易受外界干扰，导致计算出错，于是研究人员引入逻辑量子比特，可简单理解为是由多个物理量子比特构成的一组量子比特，其中多个物理量子比特可以相互纠正错误，从而确保整个逻辑量子比特的稳定性，进而保证计算准确无误。

今年早些时候，微软和 Quantinuum 联合开展研究，通过将 Azure Quantum 量子比特虚拟化平台应用于 Quantinuum 的 H2 离子阱量子计算机上，创造了当时保真度最高的逻辑量子比特，在 H2 量子计算机上从 30 个物理量子比特中创建了 4 个逻辑量子比特，错误率比物理量子比特的错误率低了 800 倍。

据了解，Azure Quantum 是微软推出的一个开放的云生态系统，能够让企业和研究机构更容易地访问和利用量子技术，它除了提供量子计算服务，还作为一个集成平台让用户访问各种量子硬件、算法以及优化工具。

量子计算初创公司 Quantinuum 成立于 2021 年，由霍尼韦尔量子解决方案部门和剑桥量子计算公司合并而成，专注于开发离子阱量子计算技术。H2 离子阱量子计算机是该公司推出的一款量子计算系统，用户可以通过微软 Azure Quantum 平台访问 H2 系统，无需拥有量子硬件设备也可开展量子计算试验。

在这项研究中，微软和 Quantinuum 团队通过扩展纠错算法，并针对 H2 离子阱量子计算机进行了优化，目前该量子计算机拥有 56 个量子比特，双量子比特保真度达 99.8%。最终，在不到 3 个月的时间里，他们将逻辑量子比特的数量提高 3 倍，创建了 12 个高度可靠的逻辑量子比特。

此前，微软和 Quantinuum 在贝尔（Bell）态制备中纠缠了 2 个逻辑量子比特，而在此次新研究中，所有 12 个逻辑量子比特都以一种更复杂的排列纠缠在一起，称为 Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态。

更为关键的是，当这些逻辑量子比特纠缠时，它们表现出 0.0011 的电路错误率，比物理量子比特 0.024 的电路错误率低了 22 倍。

除此之外，微软和 Quantinuum 团队通过改进的逻辑量子比特演示了数种容错计算。团队在 8 个逻辑量子比特上成功地进行了五轮重复纠错，8 个逻辑量子比特的电路错误率为 0.002，比物理量子比特 0.023 的电路错误率低了 11 倍。

图｜P-N-N-P 铁催化剂反应路径示意（来源：Microsoft 官网）

研究和开发量子计算技术的最终目的是用于解决现实科学问题，尤其是经典计算无法解决的科学难题。为了证明量子计算在化学领域中的新兴用途，微软和 Quantinuum 团队将量子计算、高性能计算、人工智能模型结合在一起，使用端到端混合工作流程来解决化学中的实际问题。

首先，团队使用 Azure Quantum Elements 中的 AutoCAS 和 AutoRXN 进行高性能计算模拟，分别确定了催化剂的活性空间和催化剂的反应途径。

然后，他们优化了错误检测代码，以便在 2 个逻辑量子比特上的定制量子算法中使用，进而模拟活性空间的量子行为。

接下来，他们测量逻辑量子比特以生成经典数据，将测量结果作为经典数据来训练有关分子量子特性的人工智能模型。

最后，他们将这些数据与人工智能模型结合使用，以确定催化剂的化学性质，并在化学精度范围内估算活性空间的基态能量。为了进行对比，过程中他们还使用物理量子比特进行了同样的计算。

图｜使用物理/逻辑量子比特估算活性空间基态能量准确性对比（来源：Microsoft 官网）

如上图所示，团队使用物理量子比特，以及将微软的 Azure Quantum 量子比特虚拟化平台应用于 Quantinuum 量子计算机创建的逻辑量子比特，来估算活性空间的基态能量时所达到的准确性的对比。数据显示，逻辑量子比特计算比物理量子比特计算对基态能量的估算更优，可能性达到 97%。

值得注意的是，这是人工智能、高性能计算和量子计算机首次协同应用于解决实际科学问题。

开展量子计算试验是为加速科学发现

作为一种颠覆性的计算模式，量子计算基于量子力学原理，在处理某些特定类型的问题时能够带来指数级别的加速，其应用领域也在逐渐扩大，从材料科学，到药物发现，再到优化算法和机器学习，量子计算都有望带来革命性改变。

然而，量子计算的发展面临着诸多挑战，其中之一就是量子比特的稳定性和纠错能力。为了克服这些挑战，研究人员长期致力于探索有效的量子纠错技术，其中一个突破口就是逻辑量子比特，即通过多个物理量子比特来构建一个更为稳定的逻辑量子比特。

此次，微软和 Quantinuum 开展的这项研究之所以引人注目，一方面他们构建出多达 12 个逻辑量子比特，实现了极高的计算准确度，证明了逻辑量子比特的稳定性，展示了其在执行更深层次计算任务时的潜力；另一方面，他们还展示了量子计算的实际应用，从量子态准备到计算再到纠错的全流程自动化，为解决实际化学问题铺平了道路。

目光回到国内。近年来，国内已经颁布了多个量子计算相关政策，2024 年 3 月，量子计算被列入政府工作报告中。报告指出，“制定未来产业发展规划，开辟量子技术、生命科学等新赛道，创建一批未来产业先导区。”

与此同时，国内量子计算领域近年来也取得了一系列成就。比如，中国科学技术大学等团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面获得突破，使中国成为在两种物理体系均达到量子计算优越性里程碑的国家；再比如，中国科学技术大学与北京大学联合团队实现了 51 个超导量子比特簇态的制备和验证，刷新了此前的世界纪录。

除此之外，作为国内先进的可编程、可交付超导量子计算机，第三代“本源悟空”的全球访问量已经突破 1000 万，第四代超导量子计算机“本源悟空 2 号”目前也已经进入到了最后的攻坚阶段。

参考资料：

https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2024/09/10/microsoft-and-quantinuum-create-12-logical-qubits-and-demonstrate-a-hybrid-end-to-end-chemistry-simulation/