量子計算被視為計算技術的下一個革命性前沿，有望攻克傳統計算機難以應對的複雜問題，包括材料科學模擬、藥物研發和密碼學等領域。如今，亞馬遜、谷歌和微軟等科技巨頭正在這一領域展開激烈競爭，各自砸下重金佈局自己的量子計算技術路線。
當地時間 2 月 26 日，亞馬遜雲服務（AWS，Amazon Web Services）宣佈推出首款量子計算晶片“Ocelot”（豹貓），正式進軍量子計算硬體領域。這標誌著亞馬遜不再只滿足於提供量子計算服務，而是開始向全棧量子計算解決方案進軍，與谷歌和微軟形成三足鼎立之勢。
圖丨 Ocelot 晶片（來源：Amazon）
AWS 量子硬體負責人 Oskar Painter 表示：“隨著量子研究的不斷突破，實用且容錯的量子計算機已不再是‘能否實現’的問題，而是‘何時實現’的問題。Ocelot 正是通往實用量子計算機道路上的關鍵一步。”
Ocelot 量子晶片採用了一種稱為“貓量子位元”（cat qubit）的架構，這一名稱源自著名的薛定諤貓思想實驗。這種量子位元可以同時處於多個狀態，類似於薛定諤的貓同時處於“生”與“死”的疊加狀態一樣。
Ocelot 芯片面積約一平方釐米，內含 9 個量子位元，其中 5 個是“貓量子位元”用於儲存資訊，另外 4 個是 transmon 量子位元，負責監控貓量子位元中的資訊。這與谷歌和 IBM 的量子計算機有本質不同，後者的計算部分全部採用 transmon 量子位元。
根據團隊發表在《自然》雜誌上的論文，Ocelot 中的貓量子位元實際是微波輻射的微型空心結構，由鉭材料製成並附著在矽晶片上。這種設計與傳統超導量子位元（如谷歌和 IBM 使用的 transmon）不同，為量子計算開闢了全新技術路徑。
圖丨相關論文（來源：Nature）
論文中的實驗資料顯示，Ocelot 晶片實現了相當出色的量子位元效能。在平均光子數 |α|²=2 的條件下，Ocelot 的貓量子位元可實現超過 1 毫秒的位翻轉時間和 27-33 微秒的相位翻轉時間。這意味著噪聲比率超過 30：1，對量子錯誤修正至關重要。
研究團隊還展示了將波色子量子位元與外部重複編碼結合的成果。在 d=5 距離編碼的邏輯量子位元記憶體測試中，每個錯誤修正週期的邏輯錯誤率在 d=3 編碼段為 1.75%，在 d=5 編碼段為 1.65%。雖然 d=5 編碼的故障點更多，但由於在錯誤修正過程中保持了高度噪聲偏置，兩者效能相當。
圖丨表徵邏輯位翻轉錯誤率（來源：Nature）
Painter 強調：“未來基於 Ocelot 架構的量子晶片，錯誤修正所需資源將大幅減少，成本可能只有當前方案的五分之一。這有望將實用量子計算機的實現時間提前五年。”
目前，量子計算最大的攔路虎是“噪聲”問題。量子位元極其脆弱，從微小振動、手機電磁波到宇宙射線，各種環境因素都可能破壞量子狀態，導致計算出錯。
傳統量子錯誤修正方法需要耗費大量額外的量子位元來確保計算可靠性。2024 年谷歌用了 105 個量子位元才編碼出單個錯誤修正的量子資訊位。這種高昂的硬體開銷讓大規模量子計算難以落地，而亞馬遜的設計策略要求每個資訊位元僅需十分之一的量子位元。
亞馬遜的突破在於從根本上改變了錯誤修正思路。美國耶魯大學物理學家 Shruti Puri 解釋說：“量子錯誤主要有兩種——位翻轉和相位翻轉。位翻轉類似傳統計算中的 0 變 1 或 1 變 0，而相位翻轉則是量子計算特有的錯誤型別。”
貓-transmon 設計讓亞馬遜工程師打造出一種錯誤主要表現為相位翻轉的量子計算機。由於|±α⟩相干態在相空間的分離，位翻轉錯誤率會隨著貓尺寸|α|²指數級降低，而由單光子損失和加熱引起的相位翻轉錯誤，其速率僅與|α|²成線性關係。
AWS 研究人員在量子錯誤修正關鍵操作 C-NOT 門上取得了重大突破，實現了一種噪聲偏置版本，最大限度減少了輔助位元錯誤引發的資料位元意外翻轉。這讓他們能使用比谷歌簡單得多、資源消耗更少的錯誤修正演算法。
研究團隊深入研究了邏輯量子位元記憶的效能和擴充套件性，發現相位翻轉糾錯重複編碼表現良好。隨著貓量子位元平均光子數增加，邏輯位翻轉錯誤得到有效抑制，這要歸功於他們開發的貓-transmon 噪聲偏置 CX 門。
圖丨在超導量子位元和貓量子位元之間的噪聲偏置 CX 門（來源：Nature）
隨著亞馬遜推出 Ocelot 晶片，量子計算領域的技術路線競爭也更加明朗。目前，三大科技巨頭各自採取了不同的技術路徑：
微軟 2 月 19 日公佈了“Majorana 1”量子晶片，基於“拓撲量子位元”技術。微軟聲稱創造出了世界首個“拓撲導體”，這是一種此前只存在於理論中的新型物質形態——既非固體、液體也非氣體。這種特殊材料構成了其量子晶片的核心，目標是打造更穩定的量子計算機。
圖丨微軟的 Majorana 1（來源：微軟）
谷歌則堅持走超導 transmon 量子位元路線，並在 2 月 5 日信心滿滿地表示，未來五年內將推出商業化量子計算應用。谷歌自 2012 年起就開始研究量子計算，認為這項技術能夠用於開發更高效能電池、新藥物和新能源。
亞馬遜的貓量子位元技術代表了第三條技術路徑，與法國初創公司 Alice & Bob 採取類似方向。亞馬遜認為，這種連線波色子編碼的技術很可能成為實現容錯量子計算的理想模型。
“Ocelot 本質上是一種量子儲存器的演示。”Painter 在接受媒體採訪時表示。亞馬遜接下來的目標是增加晶片上的量子位元數量，編碼更多資訊，並執行實際計算。
研究團隊也坦言他們面臨諸多挑戰，如如何連線大量導線及如何將多個晶片連線成網路等。“擴充套件並非易事。”Painter 強調。
團隊預測，透過最佳化執行週期和進一步改進貓量子位元電路，即使不提升元器件的相干時間，使用距離為 5 的編碼也可望實現接近 0.5% 的邏輯錯誤率（受 transmon 量子位元錯誤限制）。長遠來看，還需要解決 transmon 量子位元引起的位翻轉問題，可能的解決方案是將貓量子位元與適合噪聲偏置量子位元的表面碼結合起來。
儘管挑戰重重，亞馬遜的這一突破仍代表著量子計算領域的重大進展。隨著三大科技巨頭各自全力推進量子計算戰略，實用化量子計算機的到來或許會比我們預期的更早。
參考資料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-08642-7
2.https://www.technologyreview.com/2025/02/27/1112560/amazon-quantum-computing-chip-makes-its-debut/
3.https://siliconangle.com/2025/02/27/amazon-debuts-first-quantum-chip-ocelot-novel-architecture/
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