量子運算產業的目標是建構能夠解決經典計算無法解決的大規模問題的強大機器。微軟量子運算中心設計了一個新的框架，將量子運算的進展分為三個層次。
第一級是目前雜訊較大的中型量子計算機，由大約1000個量子位元組成。第二級是能夠偵測和修正量子位元錯誤的小型機器。第三級是包含數十萬到數百萬個量子位元的大規模糾錯機器。預計2026年，第二級量子電腦將開放給客戶。
微軟與 Atom Computing 合作，向丹麥出口投資基金和諾和諾德基金會提供了一台糾錯量子電腦 Magne，該電腦將擁有 50 個邏輯量子比特，預計將於 2027 年初投入使用。
據報道，QuEra公司已向日本產業技術綜合研究所（AIST）提供了量子電腦。這些計算機使用中性原子作為量子位元。
從： 
新一代量子電腦即將投入使用－IEEE Spectrum
【社論】
多年來，人們一直認為量子計算是一項將在 10 年內實際應用的技術，但 2026 年可能是這種情況改變的一年。
根據微軟提出的三階段框架，第一階段是目前雜訊較大的中型量子電腦；第二階段是具備糾錯能力的小型量子電腦；第三階段是擁有數十萬到數百萬個量子位元的大規模糾錯量子電腦。這些第二階段的量子電腦將於2026年推出給客戶。
糾錯的重要性在於量子位元固有的脆弱性：它們對各種環境因素非常敏感，包括電場和磁場、機械振動，甚至是宇宙射線，這使得它們難以保留資訊。經典比特可以簡單地重複訊息，但這種方法對量子比特來說行不通，因為量子力學的基本原理是它們不可複製。
這就是「邏輯量子位元」概念的由來。這項技術將多個實體量子位元組合成一個邏輯量子位元，從而能夠檢測和糾正錯誤。微軟和Atom Computing公司共同開發的Magne系統，能夠利用約1200個實體量子位元產生50個邏輯量子位元。一些報導稱，QuEra公司的機器能夠利用260個實體量子位元產生大約37個邏輯量子位元。
2023年，QuEra團隊與哈佛大學、麻省理工學院和馬裡蘭大學的研究人員合作，成功地在一台使用48個邏輯量子位元的糾錯量子電腦上運行了一個大規模演算法，證明邏輯量子位元的性能優於物理量子位元。這在當時創造了世界紀錄，也是量子運算實際應用的重要里程碑。微軟和Atom Computing在2024年也取得了類似的成就。
為什麼兩家公司都採用了相同的「中性原子」方案？量子電腦的量子位元有多種選擇，包括超導體、光子、離子和中性原子，每種選擇都有其自身的優缺點。中性原子的最大優點在於它們可以彼此自由移動。與超導量子位元不同，它們並非固定在晶片上，因此任意兩個原子都可以彼此相鄰放置。
中性原子量子電腦在真空腔中工作，將原子氣體冷卻至接近絕對零度，並利用一種稱為光鑷的技術來捕獲、固定和移動單個原子。每個原子都充當一個物理量子位元，可以排列成二維或三維陣列。計算過程是透過單獨的雷射精確照射原子來實現，從而可以使用同一雷射脈衝同時並行操控多個原子對。
然而，中性原子的缺點在於其處理速度。原子系統的計算速度只比超導系統慢約 100 到 1000 倍。不過，QuEra 公司聲稱，中性原子的特性可以使其速度提升 50 到 100 倍。雖然單一運算速度較慢，但可以並行執行更多運算，並且糾錯所需的運算次數更少，最終使整體「求解時間」與超導量子位元相當。
並非業內所有人都認同這種做法。 IBM並沒有等到2029年才開發出完全糾錯的機器，而是專注於為現有機器開發應用案例和其他糾錯策略。 IBM認為微軟的框架是“面向實體設備的”，需要從“計算的角度”來考慮實際可行的方案。
不過，中性原子方法具有明顯的可擴展性：QuEra 和 Atom Computing 預計在未來幾年內能夠在單個真空室中放置 100,000 個原子，這標誌著通往第三級量子計算的明確途徑。
這些機器將於 2026 年問世，它們的目標仍然是「科學優勢」而不是商業優勢，但它們可能標誌著量子計算歷史上的關鍵轉折點，從理論走向實際應用。
[術語]
量子比特（qubit）
量子計算機是資訊的基本單元。經典位元只能是0或1，而量子位元可以處於0和1的疊加態。這項特性使其能夠同時執行多個計算。
物理量子位元<br>以實際硬體形式實現的量子位元。它易受環境噪音影響，且容易出錯。物理實現方式多種多樣，包括中性原子、超導電路和離子。
邏輯量子位元<br>一種具有糾錯能力的量子位元，由多個實體量子位元組成。它比物理量子位元更可靠，是實際量子計算所必需的。一個邏輯量子位元需要幾十到幾百個實體量子位元才能構成。
NISQ（雜訊中等規模量子）計算機
雜訊中等規模量子計算機。目前，量子電腦擁有約1000個量子位元，但其錯誤率高，不適合長期計算。由於缺乏糾錯能力，它們在實際問題解決中的應用受到限制。
光鑷（光鑷技術）
這是一種利用高度聚焦的雷射光束來捕獲、固定和移動微小粒子或原子的技術。在中性原子量子計算機中，它被用於將單個原子精確定位。
超導量子位元<br>一種使用超導電路的量子位元。它在極低的溫度（接近絕對零度）下工作，能夠進行極快的計算，但其相干時間（量子態能夠維持的時間）相對較短，並且需要複雜的冷卻系統。
量子閘<br>量子電腦中的一種基本操作。它等同於經典電腦的邏輯閘（與閘、或閘等），並能轉換量子位元的狀態。
里德堡態<br>原子中電子被激發到比正常能階高得多的狀態。在這種狀態下，電子離原子核非常遠，使得原子間相互作用非常強烈，因此它被用於中性原子量子電腦中量子閘的操作。
[參考連結]
微軟 Azure Quantum （外部）
微軟提供的量子運算平台，提供量子硬體和開發環境的存取權限。
Atom Computing （外部）
一家美國新創公司，致力於利用中性原子開發量子計算機，並與微軟合作。
QuEra Computing （外部）
以哈佛大學和麻省理工學院研究成果創立的中性原子量子計算公司，也為日本產業技術綜合研究所（AIST）提供產品和服務。
IBM Quantum （外部）
IBM提供的量子運算平台，正在開發一個使用超導量子位元的系統。
諾和諾德基金會（外部）
獨立的丹麥慈善基金會，投資於醫療和科學領域，是 Magne 量子電腦的受益者之一。
IEEE Spectrum （外部）
由電氣電子工程師協會出版的技術雜誌，報告科學與技術的最新趨勢和研究成果。
[參考影片]
[參考文章]
微軟推出一系列新型四維碼，推動量子糾錯技術發展（外部連結）
微軟正式發表 4D 幾何糾錯碼，將錯誤率降低了 1000 倍。
微軟和Atom Computing公司推出了一款商用量子計算機，擁有目前記錄中最多的糾纏邏輯量子位元（外部資料）。
2024 年 11 月宣布取得破紀錄的成就：成功實現 24 個邏輯量子位元的糾纏。
日本首次在外部安裝 QuEra 系統，推進量子運算技術發展（外部連結）
一篇關於 QuEra Computing 向日本產業技術綜合研究所 (AIST) 交付中性原子量子計算機的詳細文章。
基於可重構原子陣列的邏輯量子處理器（外部）
2023 年 12 月發表在《自然》雜誌上的一篇論文報導了一項使用 48 個邏輯量子位元打破世界紀錄的實驗。
QuEra Computing公佈了其到2026年推出具備100個邏輯量子位元的先進糾錯量子電腦的路線圖（外部連結）
QuEra Computing 的三年發展路線圖，目標是在 2026 年實現 100 個邏輯量子位元的系統。
利用中性優勢：比較中性原子量子計算與其他模式（外部連結）
將中性原子與其他量子計算方法進行比較分析，證明了其可擴展性優勢。
中性原子量子計算硬體：性能和最終用戶視角（外部）
一篇學術論文，提供了中性原子量子計算的技術細節，並從工業用戶的角度對其進行了評估。
[編者註]
微軟、Atom Computing 和 QuEra 聯合研發的基於中性原子的量子電腦將是一款具備糾錯能力的商用產品。這不僅是一項技術進步，更標誌著量子運算從實驗室走向現實世界的重要一步。
2026年或許會載入史冊，成為量子運算從未來技術變成現實技術的轉捩點。我希望與所有讀者共同見證這段歷史性的轉捩點。
