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近日，总部位于美国的 Quantinuum 发布了第三代量子计算机 Helios，称其是世界上最精确的通用商业量子计算机。
Quantinuum 于 2021 年通过剑桥量子计算（Cambridge Quantum Computing）和霍尼韦尔量子解决方案公司（Honeywell Quantum Solutions）合并成立。后者是霍尼韦尔这个大型企业集团的子公司。今年早些时候，Quantinuum 宣布筹集了 6 亿美元的股权资本，融资后的估值为 100 亿美元，使其成为最具价值的私人量子公司之一。
衡量量子计算机的一个常见指标是量子比特的数量，量子比特是量子计算的基本单元，类似于传统计算机中的比特。然而，量子比特非常容易受到外界干扰，导致计算出错。为了确保计算结果的准确性，通常需要用多个物理量子比特来形成一个逻辑量子比特。逻辑量子比特通过纠正错误，可以提供更加稳定和可靠的计算结果。
Helios 包含 98 个物理量子比特，并能够从这些物理量子比特中提供 48 个逻辑错误纠正量子比特。其单量子比特门操作的保真度达到 99.9975%，双量子比特门操作的保真度在所有量子比特对之间平均为99.921%。
相比之下， 2024 年谷歌需要用 105 个物理量子比特构建一个逻辑量子比特；今年 IBM 和亚马逊云科技分别需要 12 个和 9 个物理量子比特。这三家均使用超导电路作为量子比特。
“这一 2:1 的比例独特且令人印象深刻。其他公司通常需要几十到数百个物理量子比特才能创建一个逻辑量子比特。”加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）物理科学与电气计算机工程学教授、风险投资公司 DCVC 合伙人Prineha Narang表示。
该团队还做出了一个微小却重要的改变：将量子比特从镱切换为钡。与主要依赖昂贵且对其他部件有较大损耗的紫外激光的镱不同，钡可以通过可见光波段的激光进行操控，而这一波段的工业技术已非常成熟。这使得量子计算机能够采用更经济、可靠、且更易扩展的商用方案。此外，钡原子还天然具备一种能力，可以在原子层面检测并清除一种称为“泄漏”（leakage）的特定错误。通过直接解决这种错误，程序员可以显著提升量子计算的整体性能。
Helios 高精度的优势就来自于离子系统的设计特性。与固定在量子芯片表面的超导电路不同，Quantinuum 的 Helios 芯片中的离子可以被重新排列。由于这些离子可以移动，它们能够与计算机中的任意其他离子相互作用，这种能力被称为“全互连”（all-to-all connectivity）。这种全互连结构让 Helios 能够采用只需更少物理量子比特的错误纠正方法。相比之下，超导量子比特只能与相邻的量子比特交互，因此两个非相邻量子比特之间的计算需要经过多个中间步骤来完成。
图 | Helios 量子处理单元（来源：Quantinuum）
不过，从长远来看，哪种类型的量子比特最终会胜出仍未可知。每种技术都有其设计优势，可能在未来实现更好的可扩展性。
除了提升芯片上的量子比特数量外，Quantinuum 的另一项重要成就是实现了“实时错误纠正”（error correction on the fly），这是其量子计算机的一项新功能。该公司的计算理论与设计主管 David Hayes 表示，这一功能利用 NVIDIA GPU 来并行检测量子比特中的错误。Hayes 认为，与业内常用的 FPGA 芯片相比，GPU 在错误纠正方面更高效。
Quantinuum 还使用其量子计算机研究了磁性和超导性的基础物理。今年早些时候，该公司报告称利用其前代量子机 H2 成功模拟了磁体的行为，声称该结果可与最先进的经典方法相媲美，并推动我们对磁性的理解进一步拓展。在 Helios 发布的同时，该公司还利用这台新机器模拟了高温超导体中电子的行为。
Helios 也在软件和系统架构上进行了彻底革新。其采用全新的软件栈和实时控制引擎，使量子编程像经典计算一样直观，并首次实现了在单个程序中交织运行 GPU 加速的经典计算与量子计算。这一能力让量子程序能够根据实时计算结果动态调整，大幅提升计算效率与稳定性。与此同时，Helios 引入了全新的编程语言Guppy，支持循环、高阶函数、动态量子比特分配等复杂逻辑，为实现大规模容错量子计算奠定基础。
随着 Helios 的发布，Quantinuum 也宣布了一系列重要合作，包括与生命科学、材料科学、能源以及金融领域的早期用户和合作伙伴。例如，安进作为投资者和研究合作伙伴，将探索混合量子机器学习，以推进生物制药的数据驱动发现；BlueQubit 将使用真实世界的驾驶视频数据进行 AI 图像识别；宝马将通过燃料电池催化剂材料研究推动可持续出行；摩根大通将研究量子计算在高级金融分析中的潜力；软银将探索下一代电池、有机光开关和太阳能电池的有机材料。
此外，Quantinuum 还与新加坡国家量子办公室达成了新合作伙伴关系，将在当地部署 Helios 并建立 Quantinuum 的研发与运营中心。
Quantinuum 计划在其明尼苏达州的设施中构建另一个版本的 Helios。它已经开始为第四代计算机 Sol 构建原型，计划在 2027 年交付，届时其将拥有 192 个物理量子比特。Quantinuum 计划在 2029 年推出其 Apollo 计算机，预计其将拥有数千个物理量子比特和数百个逻辑量子比特求股票配资，并能实现大规模容错计算。
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