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突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
2024/4/17 10:12:52 | 浏览:259 | 评论:0

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

如果把量子计算比作一场球赛,Quantinuum无疑又打了一记漂亮的好球。实际上,结合今年春季在量子体积、逻辑量子比特和布线问题等方面的进展,这个团队已经接近于完成一场完美的比赛。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
3月,Quantinuum的研究人员证明了QCCD架构的可扩展性,解决了布线问题

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
4月,Quantinuum合作微软,突破性地展示可靠的逻辑量子比特,逻辑电路错误率比相应的物理电路错误率低800倍,并宣称“迈入可靠量子计算的新阶段”

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

官方链接:
https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume

4月16日,Quantinuum在一篇博文中宣布,他们的离子阱量子计算机成为首台实现99.914(3)%双量子比特门保真度的商用量子计算机。

科学家们将这项成就称为“三个九”临界值,意指量子运算或量子门的保真度达到至少99.9%的概率。

该公司还在文章中指出,其离子阱量子计算机的量子体积(QV)已超过一百万,并以指数级增长,远超其他竞争对手。

提振行业信心,迈向容错量子计算

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
Ilyas Khan

Quantinuum公司创始人兼首席产品官Ilyas Khan指出,实现这些基准对于建立整个量子计算行业的信心和信任非常关键,这并非仅是一项学术研究。

“我们深知,整个量子计算行业及其生态系统,从供应商到最终用户,需要三样东西。”Khan解释说:“首先是关于时间表和商业应用的透明度与一致性。”

“其次是清晰的发展路线图。第三,需要建立一套可靠的基准标准——大家要明白,量子比特数只是众多决定计算能力指标中的一个。在Quantinuum,我们的工作强调的是确定性。我们为自己设定了严格的时间表,并且严格遵守。我们对外公开我们的工作进度和计划,确保我们的每一步都能为整个生态系统带来益处。”

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
Quantinuum的量子计算路线图

量子纠错是构建可靠、可扩展量子计算机的核心挑战,这依赖于底层硬件实现足够高的保真度。如果物理量子比特的运算错误率太高,纠错码将不会降低而是放大总体错误率,这将使得系统无法用于实际应用。

Quantinuum的科学家们指出,数十年来,业界一直致力于实现99.9%的双量子比特门保真度。这一目标是至关重要的:达到这一保真度门槛被认为是从当前的含噪声中等规模量子计算机(NISQ)向未来的容错量子设备转变的关键里程碑。

公司在新闻稿中指出:“达到这种物理保真度水平对于商业规模量子计算机至关重要;它是有效实施纠错策略的关键,而这些策略又是任何实用量子计算机的基础。”

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

他们写道:“几十年来,人们一直期待量子计算机能实现‘三个九’——即标志性的99.9%双量子比特门保真度。一旦实现,多数用于通用容错量子计算的纠错码将能有效地从系统中排除错误。”

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
来自H1-1的五个门区的双量子比特随机基准数据(虚线)和所有五个门区的平均值(蓝色实线)。不仅所有区域都与99.9%一致,而且所有区域在误差条之外都大于99.9%

Quantinuum的这一成就标志着实现量子计算全部潜力的一个重要步骤。该公司的H系列量子计算机已经展示了所有量子比特对的可重复性能,区别于一次性的实验室演示。

Quantinuum的高级研发经理Dave Hayes解释说:“在QCCD架构中达到‘三个九’意味着在发生错误之前,系统可以完成大约1000次纠缠操作。”他补充道:“我们的量子计算机正在接近可以执行经典计算机无法完成的计算任务的阶段。这一突破将发生在‘三个九’和‘四个九’之间。在达到这个阶段之前,尽管有些任务对经典计算机来说极其困难(如谷歌的随机电路采样问题),但进入这个新阶段后,我们能解决的问题范围将大大扩展。”

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
量子体积(QV)“重输出概率”(heavy output probability,HOP)与时序电路指数的函数关系

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
Quantinuum的量子体积(QV)达到了新的世界纪录:1,048,576

除了令人瞩目的双量子比特门保真度外,Quantinuum还宣布了另一个重要里程碑:其量子体积已达到1,048,576(2^20)。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高
VQ即量子体积,对于一个n量子比特处理器,m≤n,d(m)是最大方形电路中的量子比特数。也就是说量子体积与处理器拥有的量子比特数有关,还与量子处理器能够可靠运行的最大方形电路的深度有关

今年3月,Quantinuum发布的一篇研究特别强调了量子体积作为一个全面且难以操控的性能衡量工具的重要性,认为它能真实地反映量子计算机的实际运算能力。

这一指标综合考虑了量子计算机的性能各个方面,包括量子比特数量、门保真度和连接性,巩固了Quantinuum在该领域的领导地位。

如果想了解技术细节,Quantinuum还在GitHub上公布了量子体积测试的技术数据和硬件规格。

GitHub链接:
https://github.com/CQCL/quantinuum-hardware-specifications
https://github.com/CQCL/quantinuum-hardware-quantum-volume

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

应当指出,Quantinuum公司已将其H1-1处理器性能发挥至极致,尽管该机器仅包含20个量子比特。另一个引人注目的成就是他们实现了所有量子比特间的高度一致性。在其他量子硬件中,量子比特的质量性能常见明显差异——有些表现优异,有些则相对较差;而在最新测试中,这款H系列机器的每个量子比特对均实现了超过99.9%的双量子比特门保真度。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

最初的H1处理器于2020年10月推出,仅拥有10个量子比特,其量子体积为128(或2^7)。多年来,该公司通过一系列增量升级,不仅提升了量子比特的质量,还将量子比特的数量翻倍。

接下来,Quantinuum将把从H1中获得的所有改进和经验应用到下一代H2处理器中,该处理器目前支持32个量子比特。公司计划将来进一步扩展支持范围,并将量子比特保真度提升至与H1处理器相似的水平。

Hayes解释说:“在这一阶段,这些机器将成为开拓新发现的真正工具——尽管它们能探索的领域目前还有限,可能主要是物理模拟或密切相关的问题。”

“此外,这些高保真度为我们构建容错机器提供了基础。有了这些保真度,我们就可以开始增加更多量子比特,而无需进一步提升性能,并通过量子纠错来提高解决真正大型问题所需的计算能力。随着保真度的进一步提高,这一扩展也将变得更简单(这也是我们不仅仅满足于‘三个九’的原因),但从原理上讲是可行的。”

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客观而言,这一演示是向实现具有商业价值的量子优势迈出的又一步。虽然许多研究人员仍在探索纠错技术,但应当指出,随着原始物理量子比特保真度的提升,纠错的效果和效率也将得到显著提高。

尽管量子研究人员对商业应用是否能在未经纠错的NISQ级机器上运行存在分歧,但随着原始量子比特保真度的提升,这种可能性也在不断增加。因此,这些进展将有助于在非纠错NISQ机器上实现以及在容错机器中更高效的纠错实施。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

在2021年从国防承包商巨头霍尼韦尔分拆并收购英国量子公司Cambridge Quantum后,Quantinuum公司开始全力发展量子计算机。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

3年过去了,Quantinuum公司已显著进步,正攀登至估值50亿美元的高峰。今年1月,公司完成了一轮高达3亿美元的股权融资,使得自成立以来筹集的资金总额达到约6.25亿美元,远高于业内其他公司。

Quantinuum不断实现技术突破,通过提供集高性能硬件、操作系统和量子算法于一体的全栈解决方案,确保其在量子计算领域的杰出表现。

2024年3月,Quantinuum的研究人员提出了解决“布线问题”和“分类问题”的方案。

新闻稿中提到,Quantinuum的方法通过简化控制系统,采用固定数量的模拟信号和单个数字输入为每个量子比特,降低了控制量子比特的传统复杂性,使得增加量子比特数量变得更加可行。该团队还开发了一种特别设计的二维陷阱芯片,有效地移动和交互量子比特,克服了传统线性或环形量子比特排列的空间和操作限制,增强了量子计算系统的功能和可扩展性。

此外,Quantinuum还与微软共同宣布了在量子纠错领域的突破,展示了创建历史上最可靠的逻辑量子比特的能力。通过在其H2量子计算机上将4个逻辑量子比特编码为30个物理量子比特,该团队实现了低于物理电路错误率的逻辑电路错误率,这是其全栈量子计算机的独有能力。

这三项成就的取得将Quantinuum定位为整个行业的领导者。公司表明,将继续保持这一领先地位。Quantinuum是全球领先的量子计算公司,其一流的科学家和工程师不断推动技术发展,为用户开拓更多可能性。他们的应用工作涉及量子化学、量子蒙特卡罗集成、量子拓扑数据分析、凝聚态物理、高能物理、量子机器学习和自然语言处理等领域,为应对一些最大挑战带来新的解决方案。

突破“三个九”!离子阱量子计算再创新高

Quantinuum的快速发展对于评估量子技术和战略的组织具有重要意义,标志着量子计算不仅已现身,还开始对商业产生重大影响。尽管完全成熟的量子计算机仍需数年才能问世,这一趋势却已十分明显。

尽管已取得一系列研究成果,Khan表示,Quantinuum的旅程并未结束。他解释说:“今年,我们消除了人们对我们的QCCD技术是否能扩展到解决实际问题的量子计算机的疑虑,我们目前的行业地位意味着我们的领先优势已经扩大。”

母公司霍尼韦尔曾预测,到2050年,量子应用将创造出1万亿美元的市场价值,届时,Quantinuum将进入超过一半(5500亿美元)的潜在市场,包括化肥生产(2000亿美元)、制药和医疗保健(1100亿美元)以及新材料设计(1700亿美元)等领域。

Khan表示:“我们期待着进一步分享我们的短期、中期和长期路线图,并分享我们人工智能战略的细节。”

参考链接(上下滑动查看更多):
[1]https://thequantuminsider.com/2024/04/16/three-nines-surpassed-quantinuum-notches-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume/

[2]https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume

[3]https://www.quantinuum.com/hardware/h1

[4]https://quantumcomputingreport.com/quantinuum-sets-new-records-for-both-gate-fidelity-and-quantum-volume/

[5]https://www.hpcwire.com/2024/04/16/quantinuum-reports-99-9-2-qubit-gate-fidelity-caps-eventful-2-months/

[6]https://www.thomasnet.com/insights/microsoft-quantinuum-usher-in-the-next-age-of-quantum-computing/

[7]https://aibusiness.com/responsible-ai/ai-meets-quantum-leap-forward-for-ai-models-to-understand-

[8]https://www.linkedin.com/posts/jimmac-lofton-b09a829_quantinuum-makes-technical-progress-towards-activity-7172708186905333760-Etqg

[9]https://www.verticalresearchpartners.com/deepdives_byvertical.cfm?capid=5

[10]https://www.fierceelectronics.com/electronics/honeywell-sees-quantinuum-reaching-2b-sales-2026

[11]https://mp.weixin.qq.com/s/BH8U14YvKUA4jrbKk7TkSg

[12]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/10/06/quantinuum-is-on-a-roll--17-significant-quantum-computing-achievements-in-12-months/?sh=5b7f2ae6301e

[13]https://www.linkedin.com/posts/vincentanandraj_quantinuum-extends-its-significant-lead-in-activity-7186258226919698432-JoF3?trk=public_profile





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