在虚拟大会“Azure Quantum：加速科学发现”中，微软的董事长兼首席执行官 Satya Nadella 说得最好：“我们的目标是将未来 250 年的化学和材料科研进步压缩到未来 25 年。”
为了实现这一目标，微软发布三项重要公告。
Azure Quantum Elements加速了科学发现，使企业能够更快、更负责任地将创新产品推向市场。该系统集成了高性能计算(HPC)、人工智能(AI)、量子计算等领域的最新突破，使研究人员能够在化学和材料科学领域取得规模、速度和准确性方面的进步。
Azure Quantum中的Copilot可以帮助科学家使用自然语言对复杂的化学和材料科学问题进行推理。借助Azure Quantum中的Copilot，科学家可以完成复杂的任务，如生成底层计算和模拟，查询和可视化数据，以及获得复杂概念的指导答案。Copilot还帮助人们了解量子，并为当今的量子计算机编写代码。这是一种完全集成的基于浏览器的体验，它具有内置的代码编辑器、量子模拟器和无缝代码编译。
微软量子超级计算机的路线图现已发布，同行评议的研究表明，微软已经实现了量子超级计算机的第一个里程碑。
量子计算实现水平
通往量子超级计算机的道路与通往当今经典超级计算机的道路并无不同。早期计算机器的先驱们必须先改进底层技术以提高性能，然后才能扩展到大型架构。这就是促使从真空管到晶体管再到集成电路发生变化的原因。底层技术的根本性变化也催生量子超级计算机的发展。
随着行业的发展，量子硬件将分为以下三类量子计算实现级别:
1级-基础级：运行在噪声物理量子位上的量子系统，包括当今所有噪声中量级量子（NISQ）计算机。
微软将拥有业界最高的量子量、世界上最好的量子机器，带到了Azure quantum的云端，包括IonQ、Pasqal、quantum、QCI和Rigetti。这些量子计算机作为大规模量子计算的入口，非常适合进行实验。在基础层面，该行业通过计算量子比特和量子体积来衡量进展。
2级-弹性级:在可靠的逻辑量子位上运行的量子系统。
要达到弹性级别，需要从嘈杂的物理量子位过渡到可靠的逻辑量子位。这一点至关重要，因为有噪声的物理量子位无法直接运行规模化应用程序，不可避免的错误会破坏计算。因此，必须予以纠正。为了充分做到这一点并保存量子信息，成百上千个物理量子位被组合成一个冗余的逻辑量子位。然而，这仅在物理量子位的错误率低于阈值时有效；否则，尝试纠正错误将是徒劳的。一旦达到这个稳定阈值，就有可能产生可靠的逻辑量子位。然而，即使是逻辑量子位最终也会出错。关键是在应用程序的计算期间，它们必须保持无错误。逻辑量子位的稳定时间越长，它可以运行的应用程序就越复杂。为了使逻辑量子位更稳定（或者，降低逻辑错误率），必须增加每个逻辑量子比特的物理量子位数量，或者使物理量子比特更稳定，或者两者并行。因此，当更稳定的物理量子位支持更可靠的逻辑量子位时，可以从中获得显著收益，从而可以运行越来越复杂的应用程序。这就是为什么量子系统在弹性级别的性能将通过其可靠性来衡量，正如通过逻辑量子比特错误率来衡量一样。
3级-规模级:量子超级计算机可以解决最强大的经典超级计算机无法解决的有影响的问题。
当设计出可扩展、可编程的量子超级计算机，能够解决经典计算机难以解决的问题时，就会达到这个水平。这种机器可以大规模的解决我们社会面临的最复杂的问题。展望未来，我们需要定义一个良好的品质因数来体现量子超级计算机的功能。这种对超级计算机性能的衡量应该可以帮助我们了解该系统解决有影响的问题的能力。我们提供这样一个品质因数：每秒可靠量子操作（rQOPS），它衡量每秒可以执行多少个可靠操作。一台量子超级计算机至少需要一百万个 rQOPS。
测量量子超级计算机
rQOPS指标对在实际量子算法期间保持可靠的操作进行计数，以确保其正确运行。正如我们将在下面看到的，这个指标封装了完整的系统性能(而不仅仅是物理量子位性能)，并结合了对于扩展以执行有价值的量子应用程序至关重要的三个关键因素：规模、可靠性和速度。
第一次检测到 rQOPS 是在 Level 2，但是在 Level 3 才有意义。为了解决有价值的科学问题，第一台量子超级计算机需要提供至少 100 万个 rQOPS，错误率最多为 ，或每万亿次操作仅一次错误率。例如，在 100 万 rQOPS 下，量子超级计算机可以模拟相关材料的简单模型，有助于创建更好的超导体。为了解决最具挑战性的商业化学和材料科学问题，超级计算机需要继续扩展到 10 亿 rQOPS 及以上，错误率最多为 或每 500 亿次操作就仅一次错误率。在 10 亿 rQOPS 下，化学和材料科学研究将通过对分子的新配置和相互作用进行建模来加速。
目前整个行业还没有实现这一目标，只有从NISQ时代过渡到实现可靠的量子位时，这一目标才能实现。虽然当今的量子计算机的 rQOPS 值均为零，但该指标量化了未来量子计算机需要在何处提供价值。
计算rQOPS
rQOPS 由量子系统中逻辑量子位的数量 Q 乘以硬件的逻辑时钟速度 f 给出：
rQOPS = Q·f
它用相应的逻辑错误率p 来表示，它表示逻辑量子比特上操作的最大可容忍错误率。
rQOPS 考虑了规模、速度和可靠性三个关键因素： 通过可靠量子位的数量进行规模扩展；速度取决于时钟速度；通过将物理量子位编码为逻辑量子位以及相应的逻辑错误率p 来提高可靠性。
为了方便计算算法需要多少rQOPS，我们更新了Azure量子资源估计器，以输出用户选择的量子算法和量子硬件架构的rQOPS和p 。该工具通过揭示在不同硬件架构上运行应用程序所需的rQOPS和运行时间，使量子创新者能够开发和改进算法，以在未来的规模量子计算机上运行。
在下面的图表中，我们说明了p = 时100万个rQOPS和p = 时10亿个rQOPS的需求(物理量子比特数和物理时钟速度)。我们绘制了两种情况下的这些要求，其中底层物理量子位的错误率为 或 。
图 1：达到 1M rQOPS、 逻辑错误率和至少 1,000 个可靠逻辑量子位的要求。显示了物理错误率为 1/1000 和 1/1,000,000 的设备的时钟速度和量子位之间的物理硬件权衡。
图 2：达到 1G rQOPS 的要求，逻辑错误率为 。显示了物理错误率为 1/1000 和 1/1,000,000 的设备的时钟速度和量子位之间的物理硬件权衡。
量子超级计算机的第一个里程碑
量子超级计算机必须由可靠的逻辑量子位提供动力，每个逻辑量子位都由许多物理量子位组成。物理量子位越稳定，就越容易扩大规模，因为需要的量子位越少。多年来，微软的研究人员已经制造了各种各样的量子比特，用于今天的许多NISQ计算机，包括 spin、transmon和gatemon量子比特。然而，得出的结论是，这些量子位都不完全适合扩大规模。
这就是为什么微软开始设计一个全新的量子比特，在硬件层面具有固有的稳定性。在短期内，这是一条艰难的发展道路，因为它要求取得物理学上的突破，而这一突破几十年来一直困扰着研究人员。一篇发表在美国物理学会期刊《Physical Review B》上的同行评审论文表明，微软已经在创建可靠实用的量子超级计算机方面实现了第一个里程碑。
在本文中，描述了如何设计一种设备，该设备中可以可控地诱导以马约拉纳零模（MZM）为特征的物质拓扑相。
拓扑相可以实现高度稳定的量子位，具有较小的占地面积、较快的时控点和数字控制。然而，无序会破坏拓扑相并掩盖其检测。该论文报告了具有足够低的无序度以通过拓扑间隙协议的器件，从而展示了物质的这一阶段，并为新的稳定量子比特铺平了道路。该论文发表的版本显示了在首次展示这一突破后测量的其他设备的数据。微软增加了大量的TGP测试和模拟来进一步验证它。此外，微软已经开发了一种新的测量设备中紊乱水平的方法，这表明微软是如何实现这一里程碑，并为进一步的改进播下了种子。
微软的量子超级计算机路线图
1. 创建和控制马约拉纳:完成。
2. 硬件保护的量子位:硬件保护的量子位(史称为拓扑量子位)将具有内置的错误保护。这种独特的量子位将扩展以支持可靠的量子位，并将支持量子超级计算机的工程设计，因为它将：
小——每一个受硬件保护的量子比特的边长都将小于10微米，因此，一张信用卡上的智能芯片面积可以容纳100万个量子比特，从而实现实用尺寸的单模块机器。
快速——每个量子位的操作时间不到一微秒。这意味着问题可以在几周内解决，而不是几十年或几百年。
可控——量子位将由数字电压脉冲控制，以确保拥有数百万个量子位的机器不会出现过高的错误率或需要无法达到的输入/输出带宽。
3.高质量的硬件保护量子位:硬件保护的量子位可以通过编织纠缠和操作，通过一系列质量进步降低错误率。
4. 多量子位系统:当多个量子位作为全堆栈量子机中的可编程量子处理单元(QPU)一起工作时，可以执行各种量子算法。
5. 弹性量子系统:在可靠的逻辑量子位上运行的量子机器，比底层物理量子位展示出更高质量的操作。这一突破使第一个rQOPS成为可能。
6. 量子超级计算机:即使是最强大的经典超级计算机也无法解决具有影响力的问题，量子系统至少有100万个qops，错误率最多为 (万亿分之一)。
“我们将在第五个里程碑时达到量子计算实现水平的第2级(弹性)，并将在第六个里程碑时达到第3级(规模)。”
