今天凌晨，微軟宣布在量子計算領(lǐng)域取得了「里程碑」進展，并公布了微軟量子超級計算機的路線圖。

微軟高級量子開發(fā)副總裁 Krysta Svore 預(yù)計，將會在 10 年內(nèi)完成量子超級計算機的構(gòu)建。

(資料圖)

微軟 CEO Satya Nadella 在 Twitter 上公布了微軟的宏大目標：

將未來 250 年的化學(xué)和材料科學(xué)進展壓縮到未來 25 年

微軟高級量子開發(fā)副總裁 Krysta Svore 發(fā)布了一篇博文 Accelerating scientific discovery with Azure Quantum ，詳細講述了微軟的量子計算進展和計劃。

借助 Azure Quantum 加速科學(xué)探索

2023年6月21日 | Jason Zander，微軟戰(zhàn)略任務(wù)和技術(shù)執(zhí)行副總裁

以下為博客文章的全文，愛范兒做了全文譯校——

今天，微軟宣布了 Azure Quantum 的新進展，旨在加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

從鐵器時代的農(nóng)業(yè)革命到硅器時代的通信革命——新材料總是為社會進步創(chuàng)造拐點。新材料領(lǐng)域的進步會是變革性的。

例如，交通運輸行業(yè)可以開發(fā)更高效和更強大的電池。制藥研究人員可以開發(fā)新藥。化學(xué)工業(yè)將能夠發(fā)現(xiàn)更安全、更可持續(xù)的化合物，用于我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品，如電子產(chǎn)品、涂料和紡織品。最重要的是，科學(xué)家將能夠解決社會最緊迫的挑戰(zhàn)，如逆轉(zhuǎn)氣候變化和解決糧食安全問題。

然而，理解自然并非易事。對于最復(fù)雜的分子量子態(tài)的精確計算，僅 100 個電子的能級數(shù)就可能超過可見宇宙中的原子數(shù)（注：根據(jù)科學(xué)家的估計，可見宇宙中的原子數(shù)量大約是 10 的 80 次方）。

現(xiàn)在，隨著新一代人工智能的出現(xiàn)，世界上最先進的人工智能模型正在與我們的通用用戶界面——自然語言——以及自然的基礎(chǔ)語言——化學(xué)語言——相結(jié)合，開啟了一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時代。這只是第一步，我們正在準備迎接一個更大的轉(zhuǎn)變：量子超級計算。

創(chuàng)新者可以在 Azure Quantum 中開始嘗試世界上最好的量子硬件，并為量子超級計算成為現(xiàn)實時做好解決更加復(fù)雜問題的準備。我們正快速接近這樣一個時刻：科學(xué)家和企業(yè)將能夠解決以往難以解決的問題，從而推動增長和實現(xiàn)人類進步。

今天，我們介紹 Azure Quantum 的三個進展，以實現(xiàn)這一愿景。

1. Azure Quantum Elements

Azure Quantum Elements 通過整合高性能計算（HPC）、人工智能和量子計算的最新突破，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

通過 Azure Quantum Elements，科學(xué)家和產(chǎn)品開發(fā)人員可以：

通過加速研發(fā)流程并更快地將創(chuàng)新產(chǎn)品推向市場，縮短實現(xiàn)目標所需的時間和成本。一些客戶從項目啟動到解決方案實現(xiàn)的時間縮短了六個月至一周。

大幅增加新材料的搜索空間，潛在的規(guī)模可從數(shù)千個候選者擴展到數(shù)千萬個。

將某些化學(xué)模擬加速 50 萬倍，就像將一年壓縮成一分鐘。

通過使用人工智能和高性能計算來解決量子化學(xué)問題，并在現(xiàn)有的量子硬件上進行實驗，為規(guī)模化量子計算做好準備，并在未來優(yōu)先使用微軟的量子超級計算機。

利用這個全面的系統(tǒng)，研究人員可以以前所未有的規(guī)模、速度和精度在化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域取得進展。

規(guī)模。科學(xué)家可以理解生產(chǎn)產(chǎn)品所需的復(fù)雜反應(yīng)，找到新的候選物，并優(yōu)化整個過程。例如，科學(xué)家現(xiàn)在可以使用 Azure Quantum Elements 探索由 5 萬個基本步驟組成的復(fù)雜反應(yīng)中的 150 萬個潛在配置。先行者已經(jīng)利用這種大規(guī)模來尋找更可持續(xù)的替代品，用于許多日常產(chǎn)品，或者用于創(chuàng)新場景的全新產(chǎn)品。

速度。Azure Quantum Elements 通過整合微軟專門針對化學(xué)領(lǐng)域的 AI 模型來加速模擬，這些模型是我們基于數(shù)百萬化學(xué)和材料數(shù)據(jù)點進行訓(xùn)練的。我們基于相同的生成式 AI 突破性技術(shù)構(gòu)建了這些模型。Copilot 理解人類的語言，Azure Quantum Elements 理解大自然的語言——化學(xué)。

精度。如今，科學(xué)家們正在使用獨特的 AI 模型和 HPC 規(guī)模來運行比以前更高準確性的模擬。Azure Quantum Elements 還集成了經(jīng)典和量子計算，為更高的模擬精度提供了一條路徑。未來，科學(xué)家們相信量子超級計算機將能夠以 100 倍的精度實現(xiàn)預(yù)測性化學(xué)設(shè)計。

行業(yè)創(chuàng)新者，包括巴斯夫（BASF）、阿克蘇諾貝（AkzoNobel）、艾斯本（AspenTech）、莊信萬豐（Johnson Matthey）、SCGC 和 1910 Genetics 已經(jīng)采用 Azure Quantum Elements 來轉(zhuǎn)變他們的研究和開發(fā)，今天，其他人也可以加入他們。Azure Quantum Elements 將在幾周內(nèi)提供內(nèi)測，您可以今天注冊以了解更多信息。

2. Azure 量子計算中的副駕駛（ Copilot ）

Azure Quantum 中的 Copilot 幫助科學(xué)家使用自然語言來推理復(fù)雜的化學(xué)和材料科學(xué)問題。

借助 Azure Quantum 中的 Copilot，科學(xué)家可以在云端超級計算、高級人工智能和量子技術(shù)的基礎(chǔ)上完成復(fù)雜的任務(wù)，并與他們現(xiàn)在使用的工具集成。它可以生成基礎(chǔ)計算和模擬，查詢和可視化數(shù)據(jù)，并幫助獲得復(fù)雜概念的指導(dǎo)性答案。正如微軟其他產(chǎn)品中的 Copilot 正在改變軟件開發(fā)、生產(chǎn)力和搜索一樣，我們的愿景是讓 Azure Quantum 中的 Copilot 轉(zhuǎn)變和加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)——無論是創(chuàng)建更安全、更可持續(xù)的產(chǎn)品，加速藥物發(fā)現(xiàn)還是解決地球上最緊迫的挑戰(zhàn)。

Copilot 還可以幫助人們了解量子計算，并編寫適用于當下量子計算機的代碼。它提供了一個完全集成的、基于瀏覽器的體驗，可免費試用，內(nèi)置代碼編輯器、量子模擬器和無縫代碼編譯。我們設(shè)計它是為了使復(fù)雜的事情更易于管理，并幫助任何人探索量子、化學(xué)和材料科學(xué)，同時將這些變革性領(lǐng)域更加緊密地聯(lián)系在一起。

3. 微軟通往量子超級計算機的路線圖

當組織能夠利用量子超級計算機準確地設(shè)計新的化學(xué)物質(zhì)和材料時，終極解鎖將會到來。我們的行業(yè)將會沿著 20 世紀經(jīng)典超級計算機的類似道路前進。從真空管到晶體管再到集成電路，基礎(chǔ)技術(shù)的進步將會實現(xiàn)規(guī)模和影響的提升。

隨著我們在該行業(yè)的不斷發(fā)展，量子硬件將會被歸入到量子計算實施級別的三大類別：

一級 - 基礎(chǔ)：這類量子系統(tǒng)運行在受噪聲影響的物理量子比特，包括所有當今的噪聲中間規(guī)模量子（NISQ）計算機。

二級 - 彈性：在可靠的邏輯量子位上運行的量子系統(tǒng)。

三級 - 規(guī)模：量子超級計算機可以解決即使最強大的超級計算機也無法解決的重要問題。

為了達到規(guī)模，需要進行基礎(chǔ)物理學(xué)的突破。微軟已經(jīng)實現(xiàn)了這一突破，并在美國物理學(xué)會的一份期刊中呈現(xiàn)了同行評審的數(shù)據(jù)。

這意味著微軟已經(jīng)實現(xiàn)了通向量子超級計算機的第一個里程碑。我們現(xiàn)在可以創(chuàng)造和控制馬約拉納準粒子。通過這一成就，我們正在朝著工程化新的硬件保護量子比特邁進。有了它，我們可以進一步設(shè)計出可靠的輯量子比特，達到彈性級別，然后逐步進展到規(guī)模化。

量子超級計算機將能夠解決在經(jīng)典計算機上無法解決的問題，并能夠擴展以解決我們世界面臨的最復(fù)雜問題。為了做到這一點，它必須既具備高性能又可靠。客戶需要了解量子系統(tǒng)在解決實際問題方面的能力，從機器到網(wǎng)絡(luò)開銷都需要考慮在內(nèi)。這就是為什么衡量超級計算機不能僅僅通過計算物理或邏輯量子比特來進行的原因。

為了了解超級計算機的性能，我們的行業(yè)需要一種新的衡量標準。為此，我們提供了可靠量子操作每秒（rQOPS）的度量標準，它衡量了每秒鐘可以執(zhí)行多少個可靠操作。它考慮了整個系統(tǒng)的性能，而不僅僅是量子比特的性能，因此可以確保算法的正確運行。

我們的行業(yè)尚未從 NISQ 時代過渡，因此，如今的量子計算機都處于 1 級，其 rQOPS 為零。第一臺量子超級計算機將需要至少 100 萬個 rQOPS，并且將擴展超過 10 億個，以解決具有重大影響的化學(xué)和材料科學(xué)問題。

共同加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)

隨著任何創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，都存在需要進行規(guī)劃和減輕風(fēng)險的風(fēng)險。微軟的人工智能原則指導(dǎo)著我們，這些基本原則也適用于量子技術(shù)。在我們開發(fā)像 Azure Quantum Elements 這樣的新服務(wù)并設(shè)計我們的第一臺量子超級計算機時，我們將采取額外的嚴謹措施，并在整個過程中不斷獲得反饋。

我們現(xiàn)在也正在為量子安全的未來做準備。微軟擁有全面的計劃，確保我們所有的服務(wù)都保持安全，并與我們的客戶和行業(yè)合作伙伴一起支持這一重要的轉(zhuǎn)變。

我們面前的機遇是巨大的。科學(xué)家和企業(yè)將徹底改變?nèi)粘．a(chǎn)品的基本構(gòu)成，引領(lǐng)創(chuàng)新和經(jīng)濟增長的新時代。我們可以共同努力，將下一個 250 年的化學(xué)和材料科學(xué)壓縮到接下來的 25 年內(nèi)。

馬約拉納準粒子

馬約拉納準粒子是一種特殊的粒子，它在物質(zhì)中的行為非常奇特和有趣。與常見的粒子不同，馬約拉納準粒子被認為是自己的反粒子，就像一個粒子與自己的鏡像相遇一樣。這使得它們在物理學(xué)中非常特殊。馬約拉納準粒子得名于意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana），他在1937年首次提出了這種準粒子的概念。

HPC 是 High-Performance Computing（高性能計算）的縮寫。它是指通過利用并行處理和高速網(wǎng)絡(luò)連接等技術(shù)，以及使用專門設(shè)計的計算機系統(tǒng)和軟件工具，來進行大規(guī)模、復(fù)雜計算任務(wù)的處理和分析。HPC 系統(tǒng)通常具備強大的處理能力、大內(nèi)存容量和高速的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠處理大量數(shù)據(jù)和執(zhí)行復(fù)雜的計算操作。

邏輯量子比特 Logical qubits 是量子計算中使用的一種抽象概念。邏輯量子比特可以被看作是在量子計算中進行信息處理和運算的“虛擬”單位。它不直接對應(yīng)于實際的物理部件，而是通過物理量子比特的組合和控制來實現(xiàn)。通過編碼和操作，邏輯量子比特能夠存儲和處理更復(fù)雜的量子信息，從而進行更強大的量子計算。類似拼圖，邏輯量子比特就像是你在拼圖游戲中思考和操作的單個單元，通過移動、旋轉(zhuǎn)和組合拼圖塊，你可以完成更復(fù)雜的拼圖，解決更具挑戰(zhàn)性的問題。

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