今天凌晨，微軟宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了「里程碑」進(jìn)展，并公布了微軟量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的路線圖。
微軟高級(jí)量子開發(fā)副總裁 Krysta Svore 預(yù)計(jì)，將會(huì)在 10 年內(nèi)完成量子超級(jí)計(jì)算機(jī)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(biāo)：
將未來 250 年的化學(xué)和材料科學(xué)進(jìn)展壓縮到未來 25 年
微軟高級(jí)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(xì)講述了微軟的量子計(jì)算進(jìn)展和計(jì)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(jìn)展，旨在加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
從鐵器時(shí)代的農(nóng)業(yè)革命到硅器時(shí)代的通信革命——新材料總是為社會(huì)進(jìn)步創(chuàng)造拐點(diǎn)。新材料領(lǐng)域的進(jìn)步會(huì)是變革性的。
例如，交通運(yùn)輸行業(yè)可以開發(fā)更高效和更強(qiáng)大的電池。制藥研究人員可以開發(fā)新藥?；瘜W(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(huì)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(duì)于最復(fù)雜的分子量子態(tài)的精確計(jì)算，僅 100 個(gè)電子的能級(jí)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(jì)，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(jìn)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(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代。這只是第一步，我們正在準(zhǔn)備迎接一個(gè)更大的轉(zhuǎn)變：量子超級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)時(shí)做好解決更加復(fù)雜問題的準(zhǔn)備。我們正快速接近這樣一個(gè)時(shí)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(dòng)增長(zhǎng)和實(shí)現(xiàn)人類進(jìn)步。
今天，我們介紹 Azure Quantum 的三個(gè)進(jìn)展，以實(shí)現(xiàn)這一愿景。
1. Azure Quantum Elements
Azure Quantum Elements 通過整合高性能計(jì)算（HPC）、人工智能和量子計(jì)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(chǎng)，縮短實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需的時(shí)間和成本。一些客戶從項(xiàng)目啟動(dòng)到解決方案實(shí)現(xiàn)的時(shí)間縮短了六個(gè)月至一周。
大幅增加新材料的搜索空間，潛在的規(guī)?？蓮臄?shù)千個(gè)候選者擴(kuò)展到數(shù)千萬個(gè)。
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(jì)算來解決量子化學(xué)問題，并在現(xiàn)有的量子硬件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為規(guī)?；孔佑?jì)算做好準(zhǔn)備，并在未來優(yōu)先使用微軟的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)。
利用這個(gè)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(jìn)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(gè)過程。例如，科學(xué)家現(xiàn)在可以使用 Azure Quantum Elements 探索由 5 萬個(gè)基本步驟組成的復(fù)雜反應(yīng)中的 150 萬個(gè)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(chǎng)景的全新產(chǎn)品。
速度。Azure Quantum Elements 通過整合微軟專門針對(duì)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(diǎn)進(jìn)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(dú)特的 AI 模型和 HPC 規(guī)模來運(yùn)行比以前更高準(zhǔn)確性的模擬。Azure Quantum Elements 還集成了經(jīng)典和量子計(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)將能夠以 100 倍的精度實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性化學(xué)設(shè)計(jì)。
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(cè)，您可以今天注冊(cè)以了解更多信息。
2. Azure 量子計(jì)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(jí)計(jì)算、高級(jí)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(jì)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(jì)算，并編寫適用于當(dāng)下量子計(jì)算機(jī)的代碼。它提供了一個(gè)完全集成的、基于瀏覽器的體驗(yàn)，可免費(fèi)試用，內(nèi)置代碼編輯器、量子模擬器和無縫代碼編譯。我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)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(jí)計(jì)算機(jī)的路線圖
當(dāng)組織能夠利用量子超級(jí)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)新的化學(xué)物質(zhì)和材料時(shí)，終極解鎖將會(huì)到來。我們的行業(yè)將會(huì)沿著 20 世紀(jì)經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的類似道路前進(jìn)。從真空管到晶體管再到集成電路，基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模和影響的提升。
隨著我們?cè)谠撔袠I(yè)的不斷發(fā)展，量子硬件將會(huì)被歸入到量子計(jì)算實(shí)施級(jí)別的三大類別：
一級(jí) - 基礎(chǔ)：這類量子系統(tǒng)運(yùn)行在受噪聲影響的物理量子比特，包括所有當(dāng)今的噪聲中間規(guī)模量子（NISQ）計(jì)算機(jī)。
二級(jí) - 彈性：在可靠的邏輯量子位上運(yùn)行的量子系統(tǒng)。
三級(jí) - 規(guī)模：量子超級(jí)計(jì)算機(jī)可以解決即使最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法解決的重要問題。
為了達(dá)到規(guī)模，需要進(jìn)行基礎(chǔ)物理學(xué)的突破。微軟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一突破，并在美國(guó)物理學(xué)會(huì)的一份期刊中呈現(xiàn)了同行評(píng)審的數(shù)據(jù)。
這意味著微軟已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通向量子超級(jí)計(jì)算機(jī)的第一個(gè)里程碑。我們現(xiàn)在可以創(chuàng)造和控制馬約拉納準(zhǔn)粒子。通過這一成就，我們正在朝著工程化新的硬件保護(hù)量子比特邁進(jìn)。有了它，我們可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出可靠的輯量子比特，達(dá)到彈性級(jí)別，然后逐步進(jìn)展到規(guī)模化。
量子超級(jí)計(jì)算機(jī)將能夠解決在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上無法解決的問題，并能夠擴(kuò)展以解決我們世界面臨的最復(fù)雜問題。為了做到這一點(diǎn)，它必須既具備高性能又可靠?？蛻粜枰私饬孔酉到y(tǒng)在解決實(shí)際問題方面的能力，從機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)不能僅僅通過計(jì)算物理或邏輯量子比特來進(jìn)行的原因。
為了了解超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能，我們的行業(yè)需要一種新的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為此，我們提供了可靠量子操作每秒（rQOPS）的度量標(biāo)準(zhǔn)，它衡量了每秒鐘可以執(zhí)行多少個(gè)可靠操作。它考慮了整個(gè)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(yùn)行。
我們的行業(yè)尚未從 NISQ 時(shí)代過渡，因此，如今的量子計(jì)算機(jī)都處于 1 級(jí)，其 rQOPS 為零。第一臺(tái)量子超級(jí)計(jì)算機(jī)將需要至少 100 萬個(gè) rQOPS，并且將擴(kuò)展超過 10 億個(gè)，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(jìn)行規(guī)劃和減輕風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。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(jì)我們的第一臺(tái)量子超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)，我們將采取額外的嚴(yán)謹(jǐn)措施，并在整個(gè)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(zhǔn)備。微軟擁有全面的計(jì)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(jī)遇是巨大的?？茖W(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(jì)增長(zhǎng)的新時(shí)代。我們可以共同努力，將下一個(gè) 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(zhǔn)粒子
馬約拉納準(zhǔn)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(zhǔn)粒子被認(rèn)為是自己的反粒子，就像一個(gè)粒子與自己的鏡像相遇一樣。這使得它們?cè)谖锢韺W(xué)中非常特殊。馬約拉納準(zhǔn)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(zhǔn)粒子的概念。
HPC 是 High-Performance Computing（高性能計(jì)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(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件工具，來進(jìn)行大規(guī)模、復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的處理和分析。HPC 系統(tǒng)通常具備強(qiáng)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(jì)算操作。
邏輯量子比特 Logical qubits 是量子計(jì)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(jì)算中進(jìn)行信息處理和運(yùn)算的“虛擬”單位。它不直接對(duì)應(yīng)于實(shí)際的物理部件，而是通過物理量子比特的組合和控制來實(shí)現(xiàn)。通過編碼和操作，邏輯量子比特能夠存儲(chǔ)和處理更復(fù)雜的量子信息，從而進(jìn)行更強(qiáng)大的量子計(jì)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(gè)單元，通過移動(dòng)、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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