自9月以来，“最大数量纠缠逻辑量子比特”的纪录已迎来三次刷新，数量从12个一路跃升至50个。
11月19日，微软与中性原子量子计算公司Atom Computing推出了一款具有24个逻辑量子比特的商用量子机器，打破了最高纠缠逻辑量子比特数量的纪录。
12月10日，在Q2B 2024硅谷会议上，Quantinuum展示了创纪录的50个纠缠逻辑量子比特的GHZ态，相较微软和Atom Computing报告的结果，数量又翻了一倍多，保真度超过98%。
Quantinuum指出，在工业规模的量子纠错中，需要满足三个关键需求：强大的硬件、强大的软件和代码与算法的协同设计。这些需求是实现可靠、实用的量子计算系统的重要基础。
来源：Quantinuum
创造出使用50个逻辑量子比特的GHZ态
什么是GHZ态，创造出使用50个逻辑量子比特的GHZ态为何是一项重要成就？
大多数人都熟悉被称为贝尔对的两个纠缠量子比特，其量子比特的状态是相互关联的。当其中一个改变状态时，即便彼此之间相隔甚远且毫无连接，另一个也会随之改变状态。爱因斯坦曾将此称为“幽灵般的超距作用”。GHZ态是这种情况的一种扩展，是多粒子的最大纠缠态也就是有两个以上的量子比特相互纠缠，使得处于GHZ态的所有量子比特会一同发生变化。在理想的GHZ态中，每个量子比特都处于“0”态和“1”态的叠加态，当进行测量时，所有量子比特会一同坍缩到“0”态或者“1”态。
下图展示了Quantinuum的实验结果，图表中间的柱状图体现了一些误差情况。倘若没有错误，所有量子比特的测量结果会在50%的情况下处于最左边的柱状条（表示为0000……），另外50%的情况下，所有量子比特的测量结果会处于最右边的柱状条（表示为1111……）。
图：Quantinuum的实验结果
来源：Quantinuum
Quantinuum利用他们的56个量子比特的H2-1处理器，借助[[52,50,2]]错误检测码创建出了一个50个量子比特的GHZ态。此代码利用52个物理量子比特创建出50个逻辑量子比特，码字之间的码距为2。需要注意的是，这个代码仅具备检测错误的能力，无法实时纠正错误。不过，一旦检测到错误，量子处理器可以重复操作，直至检测不到错误为止。在上图中，橙色柱状条展示了未使用错误检测码时的结果，而蓝色柱状条展示了使用该错误检测码时的结果。因此，正如所期望的那样，启用错误检测码时确实呈现出了更优的结果。
Quantinuum的最新成果比微软和Atom Computing上个月所报告的成果多出一倍有余，微软和Atom Computing当时展示了24个纠缠逻辑量子比特。微软和Atom Computing使用的是[[4,2,2]]编码，该编码具备错误及损耗检测能力。那次演示是在Atom Computing基于256个量子比特的中性原子处理器上进行的，利用大约48个物理量子比特生成了24个逻辑量子比特，码距为2。
所以，就像竞争激烈的量子计算生态系统中的诸多事物一样，每位参赛者都在竞相针对众多不同的指标创下新的性能纪录。尽管Quantinuum的此次演示在2024年创下了GHZ态方面的新纪录，但在未来几年里，凭借更大型、更强大的量子处理器以及更先进的错误检测和纠错编码，我们还将创造新的纪录。
逻辑量子比特：协同工作的团队
量子纠缠是量子计算的基础。实现高保真度的大规模量子纠缠，对于先进的量子算法、可靠的纠错以及可扩展的架构而言至关重要。据Quantinuum计算理论与设计总监David Hayes介绍，Quantinuum 50个纠缠逻辑量子比特的演示为整个行业设立了新的标杆，也证明了其H2量子系统所具备的潜力。
Quantinuum展示的纠缠态的保真度处于98.09%至99.06%之间，对于逻辑量子比特达到如此规模的情况而言，这一点尤其值得关注。逻辑量子比特能在物理层纠正错误，使我们在更大规模的系统中能够进行更可靠的操作。
来源：Quantinuum
理解逻辑量子比特在物理层纠错的方式很简单，我们可以将逻辑量子比特想象成一组协同工作以保护量子信息的物理量子比特“团队”。单个物理量子比特十分脆弱，很容易因系统中的噪声或不稳定因素产生错误。而逻辑量子比特会以分散量子信息的方式将若干个物理量子比特组合起来，这样一来，如果一个或多个物理量子比特出现错误，整个逻辑量子比特就可以检测并纠正这些错误。这种“团队协作”确保计算在存在不可避免错误的情况下，也能正常进行。
要达到如此高的精度，需要克服诸如电路深度增加以及态制备受限等诸多挑战。由于系统存在不完善之处，物理量子比特的保真度较低，大约为75%，不过这些研究结果依然验证了高保真逻辑量子比特系统的可扩展性。
强大的硬件与软件
在展示过程中，Quantinuum详细介绍了其量子电荷耦合器件（QCCD）架构。QCCD被称为量子纠错（QEC）测试平台，它是一个专为高保真度量子操作而设计的平台，也是Quantinuum取得此次成果的关键所在。
QCCD架构支持实现任何量子纠错码，使其成为测试和扩展逻辑量子比特的一种通用工具。据Quantinuum介绍，除了在量子纠缠方面取得的成果外，该系统还利用量子傅里叶变换（QFT）和逻辑隐形传态等技术展示了系统级的逻辑基准测试。这些基准测试可确保计算在系统扩展时保持其完整性，为进一步创新奠定基础。
图：QCCD架构及其特点
来源：Quantinuum
H2系统的主要优势为全量子比特连接性、中途测量以及前馈能力。
全量子比特连接性意味着系统中的每个量子比特都能与其他任何量子比特直接相互作用，这样就减少了那些可能导致计算效率低下的中间步骤。
中途测量是指在计算过程中能够测量量子比特的状态，而且不会使整个计算过程停止或中断。
前馈能力使得系统能够实时利用中途测量的结果，动态地对正在进行的计算进行调整。
这些特性为大规模容错量子计算提供了所需的精度和灵活性。
图：系统级的容错逻辑基准测试
来源：Quantinuum
代码与算法的协同设计
高保真纠缠量子比特对于量子纠错（QEC）至关重要，量子纠错旨在解决量子系统中固有的噪声以及其他干扰因素。Quantinuum在量子纠错方面取得的进展建立在其简单逻辑表示（SLR）编程语言基础之上，该编程语言简化了先进纠错码的集成工作，借助这些纠错码，即便在大规模量子系统中，逻辑电路也能可靠地运行。
Quantinuum在单次纠错方面也取得了重要进展。通过在单一过程中解决错误，单次纠错方法简化了传统的纠错迭代流程，弥合了误差缓解（即在计算完成后将错误最小化）与纠错（即在操作过程中主动检测并修复错误）之间的差距。这种方法被应用于横向晶格手术当中，横向晶格手术是一种用于在量子晶格内连接逻辑量子比特的容错过程。通过将横向晶格手术的稳健性与单次纠错的效率相结合，Quantinuum实现了十倍的速度提升，并达到了收支平衡的性能，也就是计算收益完全抵消了纠错所需的额外开销。
单次纠错在降低容错计算的复杂性方面影响尤为突出，能使其运算速度更快且更具可扩展性。这一进展是实现实用量子计算的关键推动因素，使其更加贴近现实世界中的应用场景。
为何成果意义重大？
创造出50个纠缠逻辑量子比特，不只是一项技术里程碑，更代表着量子计算走向实用化的转折点。许多先进算法（例如用于分子模拟或供应链优化的算法）需要大规模纠缠才能有效发挥作用。高保真度确保了这些算法能按预期执行，最大限度地减少可能会影响结果的计算错误。
这种程度的纠缠和精度，对于量子网络以及安全通信也非常重要。纠缠态是量子密钥分发及其他加密方法的核心所在，因此Quantinuum的技术进展与计算领域之外的行业也息息相关，比如网络安全和电信行业。
过往成果
这些成果建立在Quantinuum过往研究的基础之上。2024年10月29日，Quantinuum与科罗拉多大学的研究人员合作，在《Physical Review Letters》上发表了题为“Entangling Four Logical Qubits beyond Break-Even in a Nonlocal Code”的研究论文。利用Quantinuum的H2离子阱量子处理器，研究人员将GHZ态编码到四个逻辑量子比特中（在对超过98%的结果进行后选择之后得到相应保真度）。使用同一量子处理器，也能够在四个物理量子比特上制备出未经纠错的GHZ态并得到相应保真度。逻辑量子比特以Tanner转换的远程增强表面代码编码，逻辑纠缠门是使用简单的swap操作实现的。研究结果朝着利用以几何非局域量子低密度奇偶校验码编码的逻辑量子比特实现容错量子计算迈出了第一步。
图：过往成果
来源：Quantinuum
2024年9月10日，微软与Quantinuum一同演示了有记录以来性能最佳的逻辑量子比特，创下了最大纠缠逻辑量子比特数量的记录，这次演示被微软誉为“通往量超融合之路”的关键演示。通过改进和优化Quantinuum的56物理量子比特H2机器的量子比特虚拟化系统，研究团队创建了12个逻辑量子比特。在不到六个月的时间里，研究团队改进的量子比特虚拟化系统将可靠的逻辑量子比特数量增加了两倍。此外，当将所有12个逻辑量子比特纠缠在“更深入”量子计算所需的复杂状态时，它们的电路误码率比相应的物理量子比特提高了22倍。
展望：速度越来越快，新成果在路上
Quantinuum预计未来仍然会面临诸多挑战。要将逻辑量子比特数量扩展至超过50个，就需要在硬件和软件方面做出更多改进。例如，对于维持在逻辑层面已达到的高标准来说，提高物理量子比特的保真度非常重要。随着系统变得更大、更复杂，优化电路深度以防止出现瓶颈也很有必要。QCCD架构可能会在克服这些挑战方面发挥核心作用。通过对该架构进行完善，同时进一步推进纠错技术，Quantinuum有望进一步拓展量子计算的极限。
图：未来的工作流环境
来源：Quantinuum
根据Quantinuum公开的演示文稿，Quantinuum还在开发一个全面的工作流环境，弥合量子研究人员和应用程序开发人员之间的差距，从而实现量子解决方案的更无缝部署。这一愿景也与将量子和经典系统相集成的行业趋势一致。
参考链接
[1]https://www.quantinuum.com/blog/q2b-2024-advancements-in-logical-quantum-computation
[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.180601
[3]https://blogs.microsoft.com/blog/2024/09/10/microsoft-announces-the-best-performing-logical-qubits-on-record-and-will-provide-priority-access-to-reliable-quantum-hardware-in-azure-quantum/
[4]https://www.msn.com/en-us/money/other/us-firm-beats-microsoft-harvard-with-50-entangled-logical-qubits-in-quantum-computer/ar-AA1vJJK9?ocid=iehpm
[5]https://quantumcomputingreport.com/quantinuum-demonstrates-record-ghz-state-of-50-entangled-logical-qubits/