9月10日，美国微软和Quantinuum宣布取得一项重大突破，他们成功纠缠了有史以来最多的12个逻辑量子位，并创造了有史以来最高的计算保真度。其关键量子纠错技术的核心是虚拟化和四维超立方体结构，这项研究已发表在预印服务器ArXiv上。
量子计算的挑战：量子位的脆弱性
量子计算的优势在于其强大的并行计算能力，相比传统计算机只能处理“0”和“1”两种状态，量子位（qubit）可以同时处于“0”和“1”的叠加态，这让它在理论上可以以极快的速度完成大规模计算任务。
但量子位有一个致命的弱点——它们非常脆弱，容易受到外界环境的干扰，从而引发错误。如果不加以纠正，量子计算的结果可能变得非常不可靠，所以量子计算的最大技术障碍之一就是如何有效地纠正这些错误。
逻辑量子位：纠错的“团队协作”
为了克服量子位的脆弱性，科学家们提出了“逻辑量子位”的概念。逻辑量子位并不是单个的量子位，而是由多个物理量子位组成的一组量子位。通过“团队协作”，这些物理量子位可以相互纠正错误，确保逻辑量子位的稳定性。
就像一支球队，某个球员犯错时，其他队员能够协助纠错，就可以确保进攻顺利，将球送进对方大门。当然，要是这些球员都技术粗糙，像劣质量子比特一样纠缠不了多长时间，互相纠错也只能是一个笑话。
微软和Quantinuum的突破就在于他们成功纠缠了12个逻辑量子位，并且实现了历史上最高的计算保真度。更重要的是，他们的量子纠错技术使得逻辑量子位的错误率比单独的物理量子位低了800倍。这一成就是量子计算迈向可靠、实用计算的关键一步。
核心技术：虚拟化与四维超立方体结构
那么，微软是如何实现这一突破的呢？答案就在他们的虚拟化系统和四维超立方体结构的量子纠错技术中。
微软的量子虚拟化系统是量子纠错技术中的重要组成部分。这项技术建立在独特的“量子位虚拟化”理念之上，即利用软件层面来增强硬件的稳定性和精度，可以动态管理多个物理量子位之间的协作，确保逻辑量子位保持稳定，从而可以有效协调物理量子位的操作，减少错误发生的几率。
量子纠错的核心在于如何高效地组织和保护量子位，微软使用了一种被称为Tesseract代码的故障容错机制。Tesseract代码本质上是一种四维超立方体结构，它通过将16个物理量子位排列成一个四维空间中的超立方体，从而保护逻辑量子位。
在这个结构中，16个物理量子位负责编码4个逻辑量子位。尽管这种方法减少了有效编码的量子位数量，但它通过牺牲部分效率，极大地提高了纠错性能。四维超立方体结构的最大优点在于它能够有效地检测和纠正量子位中的错误，使得逻辑量子位的运算更加稳定和可靠。
此外，微软的团队通过5轮纠错操作，成功将逻辑电路的错误率降低了24倍。这种显著的错误率降低，使得量子计算机可以执行更复杂的计算任务，并且可以处理更深层次的量子电路。
实际应用：化学模拟的成功
微团这项量子纠错技术不仅仅是理论上的进展，它已经开始在现实世界中展现出潜力。通过结合云计算和人工智能技术，微软利用可靠的逻辑量子位进行了复杂的化学模拟，成功预测了一个化学催化剂的基态能量。这种模拟对于传统计算机来说几乎是不可能实现的，因为它需要处理极为复杂的计算任务。
这一突破标志着量子计算在化学模拟、药物开发、新材料设计等领域的巨大潜力。未来量子计算有望帮助我们设计出更加环保高效的能源，甚至开发出对抗复杂疾病的新疗法。
未来展望：规模化与商业应用
尽管微软的重大突破令人兴奋，但距离大规模量子计算还有极大的挑战，因为目前仅仅实现了12个逻辑量子位的纠缠，要扩展到数百甚至数千个逻辑量子位，还需要在硬件和软件上进行更多创新。
不过微软已开始推动这项技术的商业化，通过Azure Quantum平台提供量子计算，可以帮助科学家和企业解决现实中的重大问题，如药物发现、材料设计、国家安全等。
另外微软还在研究一种新型的“拓扑量子位”，这种量子位有望进一步提高计算能力，支持数百万个量子位的控制，从而实现更大规模的量子计算。
F. Sauvage and M. Larocca, "Classical shadows with symmetries," arXiv preprint arXiv:2408.05279v1, Aug. 2024.
J. Zander, "Microsoft announces the best performing logical qubits on record and will provide priority access to reliable quantum hardware in Azure Quantum," Microsoft, Sep. 10, 2024. [Online].
