亞馬遜網路服務公司今天釋出了其首款量子計算晶片，並表示 它代表了第一代實現卓越糾錯能力的硬體，這一障礙使得該技術的擴充套件變得困難。

該公司表示，新處理器名為 Ocelot，與現有方法相比，可將實現量子糾錯的成本降低高達 90%。

AWS 使用了一種專門的架構，該公司使用所謂的“cat qubit”從頭開始構建該架構。AWS量子計算中心的亞馬遜研究人員最初於 2021 年提出了這種方法，最近在《自然》雜誌上發表了一篇論文，描述了這種糾錯技術，該技術以著名的薛定諤貓思想實驗命名 。

在量子計算機中，量子位元是用於計算的基本資訊單位，相當於傳統計算中使用的表示 1 或 0 的位 – 但它可以同時存在於多個狀態。這使得量子計算機能夠極快地執行計算。問題是物理量子位元極其脆弱，可能會受到外部干擾（如電磁輻射、熱量甚至微小振動）的影響，從而導致噪音和錯誤。

Cat qubit的工作原理是，透過使用稱為振盪器的元件來儲存用於計算的量子態，振盪器會產生具有穩定時序的重複電訊號。該訊號用於防止一種難以在硬體中糾正的錯誤，即相移錯誤。該晶片的高質量振盪器由一種稱為鉭的超導材料薄膜製成。

AWS 量子硬體總監 Oskar Painter 表示：“隨著量子研究的最新進展，容錯量子計算機將不再是‘是否’的問題，而是何時可以投入實際應用的問題。Ocelot 是這一旅程中的重要一步。”

Ocelot 是 AWS 為測試該架構方法的有效性而建立的小型原型。亞馬遜表示，該架構可能需要數年時間才能準備好公開發布。目前，該公司打算繼續進行研究，並將其作為進一步開發的基礎。

“我們才剛剛起步，我們相信我們還有更多擴充套件階段要經歷，”Painter 說道。“目前，我們的任務是繼續創新整個量子計算堆疊，繼續檢查我們是否使用了正確的架構，並將這些學習成果融入我們的工程工作中。這是一個持續改進和擴充套件的飛輪。”

Quantum Circuits Inc.聯合創始人兼首席科學家 Rob Schoelkopf 在一封電子郵件中告訴 SiliconANGLE，檢測和糾正量子計算中的錯誤是量子計算中需要克服的重要挑戰。“AWS 在其科學研究中展示了令人信服的結果，突顯了更高效的糾錯是確保可行的量子計算的關鍵，”他說。“這種方法將支援他們的新 Ocelot 晶片，這是探索和準備未來路線圖的重要一步。”

Ocelot 釋出前不久，微軟公司剛剛釋出了其量子計算晶片Majorana 1，這是一款八量子位元晶片，微軟稱這也是業界的一項突破。微軟的這款晶片於上週釋出，由名為 Majorana 費米子的準粒子驅動，這些準粒子充當自己的反粒子，為計算提供量子態。

量子計算有望幫助解決現實世界中傳統系統難以解決的複雜應用，例如加快藥物發現和開發速度、協助生產新材料以及對投資策略做出準確預測。

AWS 量子硬體主管 Oskar Painter 表示：“我們認為，如果要製造實用的量子計算機，量子糾錯必須放在首位。這就是我們對 Ocelot 所做的。我們沒有采用現有架構，然後再嘗試整合糾錯。我們選擇量子位元和架構時，將量子糾錯作為首要要求。”

AWS 的公告緊隨微軟上週宣佈其首款量子晶片 (Majorana 1) 之後。去年 12 月，谷歌推出了其最新的量子裝置 (Willow)。現在，這三家雲/技術巨頭都已命名了量子裝置。也許並不奇怪，最近推出的三款晶片都專注於先進的糾錯方案。

微軟稱其新推出的 Majorana 1 晶片為“世界上第一個拓撲導體，這是一種突破性的材料，可以觀察和控制 Majorana 粒子，從而產生更可靠、更可擴充套件的量子位元。”如果可以實現，這種拓撲量子位元具有明顯的優勢。業界對此進行了大量的反擊，但微軟堅持自己的工作和《自然》 雜誌的論文。

谷歌於 12 月推出了其最新的量子晶片 Willow，聲稱它已經突破了量子糾錯閾值，這是構建大規模量子計算機所必需的關鍵指標。這項工作在《自然》 雜誌的一篇隨附論文《表面程式碼閾值以下的量子糾錯》中進行了詳細介紹。

實現有效的量子糾錯（QEC）一直是量子產業幾年來的主要口號。

在介紹 Ocelot 的 AWS 部落格中，該公司量子應用總監 Fernando Brandão 和 Painter 描述了一般的 QEC 挑戰，“傳統的量子糾錯方法，例如使用表面糾錯碼的方法，目前需要每個邏輯量子位數千個（如果我們非常非常努力，將來可能達到數百個）物理量子位才能達到所需的錯誤率。這意味著商業相關的量子計算機將需要數百萬個物理量子位——比當前硬體的量子位數高出許多個數量級。”

人們正在探索各種各樣的方法（貓量子位元就是其中之一），以避免或至少大大減少 Brandão 和 Painter 所描述的蠻力、量子位元冗餘要求。亞馬遜報告稱，其基於貓量子位元的方法“所需的 資源將僅為常見 [量子糾錯] 方法的十分之一”。

抱歉，這段摘錄自 Brandão 和 Painters 部落格，太長了，但與其亂七八糟地描述，不如直接引用他們關於貓量子位元基礎知識的相當清晰易懂的描述。最後一段是妙語：

“自然界中的量子系統可能比量子位元更復雜，量子位元僅由兩個量子態組成（通常標記為0和1，類似於經典數字位元）。以簡單的諧振子為例，它以明確的頻率振盪。諧振子有各種各樣的形狀和大小，從用於在播放音樂時保持時間的機械節拍器到用於雷達和通訊系統的微波電磁振盪器。

“從經典角度看，振盪器的狀態可以用其振盪的振幅和相位來表示。從量子力學角度看，情況類似，儘管振幅和相位永遠不會同時完美定義，並且與系統中新增的每個能量量子相關的振幅都存在潛在的顆粒感。

“這些能量量子就是所謂的玻色子粒子，其中最著名的是光子，與電磁場有關。我們向系統中注入的能量越多，我們創造的玻色子（光子）就越多，我們可以訪問的振盪器狀態（振幅）就越多。玻色子量子誤差校正依賴於玻色子 而不是簡單的雙態量子位元系統，它使用這些額外的振盪器狀態更有效地保護量子資訊免受環境噪聲的影響，並進行更高效的誤差校正。

“一種玻色子量子糾錯使用所謂的cat qubits，以埃爾溫·薛定諤著名思想實驗中的死/活薛定諤貓命名。cat qubits使用具有明確振幅和相位的類經典狀態的量子疊加來編碼量子位元的資訊。就在彼得·肖爾 1995 年發表關於量子糾錯的開創性論文幾年後，研究人員開始悄悄開發一種基cat qubits的糾錯替代方法。

“cat qubits的主要優勢在於其固有的防位翻轉錯誤保護。增加振盪器中的光子數量可以使位翻轉錯誤的發生率呈指數級減小。這意味著我們無需增加量子位元數，只需增加振盪器的能量，即可使糾錯效率大大提高。”

與往常一樣，最好直接從論文中獲取詳細資訊。（摘要包含在文章末尾）。總的來說，AWS 表示，它已成功實施超導cat qubits抵抗翻轉誤差，結合傳統 QEC 程式碼技術來減輕相位誤差，並（結合輔助 transmon 量子位元）基於五個cat qubits建立了一個邏輯量子位元。

Ocelot 邏輯量子位元儲存晶片（如上圖所示）由五個 cat qubits組成，每個量子位元都包含一個用於儲存量子資料的振盪器。每個 cat qubits的儲存振盪器都連線到兩個輔助 transmon 量子位元，用於相位翻轉誤差檢測，並與一個特殊的非線性緩衝電路配對，用於穩定 cat 量子位元狀態並指數級抑制位元翻轉誤差。

調整 Ocelot 裝置涉及根據cat amplitude（平均光子數）校準貓量子位的位和相位翻轉錯誤率，並最佳化用於相位翻轉錯誤檢測的 C-NOT 門的噪聲偏差。

“我們的實驗結果表明，我們可以實現接近一秒的位翻轉時間，比傳統超導量子位元的壽命長一千多倍。至關重要的是，這可以透過小至四個光子的cat amplitude來實現，使我們能夠保持數十微秒的相位翻轉時間，足以進行量子糾錯。從那裡，我們執行一系列糾錯週期來測試電路作為邏輯量子位元儲存器的效能。為了表徵重複程式碼的效能和架構的可擴充套件性，我們研究了 Ocelot cat 量子位元的子集，代表不同的重複程式碼長度，”Brandão 和 Painters 在部落格中寫道。

當然，cat qubits並不新鮮，多年來一直是學術界和工業界的活躍研究領域。也許最出名的是總部位於巴黎的 Alice and Bob 公司，該公司一直倡導cat qubits技術，去年報告成功演示了cat qubits併發布了路線圖。

在回覆電子郵件問題時，AWS 拒絕分享其路線圖，但對後續步驟提供了以下答案：

進一步發展面臨的主要技術障礙是什麼？“我們的目標是擴大邏輯量子位元的規模，同時提高其各個元件的效能，以實現比最先進水平低 9 個數量級的邏輯錯誤率。這將需要在材料方面進行創新，以提高元件的效能，並在整個堆疊的其餘部分（從製造和設計到校準）進行進一步的大規模擴充套件。”

擴充套件的方法是什麼（例如多個晶片）？“雖然 Ocelot 是採用單晶片構建的，但我們預計未來版本將採用多晶片方法來幫助擴充套件。”

下一步和里程碑是什麼？“在未來幾年，我們將系統地降低邏輯錯誤率，直到達到執行有用的量子應用程式所需的水平（比最先進的水平低 9 個數量級）。我們還將在多個邏輯量子位之間實現邏輯閘，最終實現一臺能為社會帶來價值的糾錯量子計算機。”

值得記住的是，Oceleot 仍然是一種研究裝置，而 AWS 並沒有另行宣告。

佩恩特指出，還有更多工作要做：“我們相信我們還有更多擴充套件階段要經歷，還有許多工程挑戰需要克服。這是一個非常難以解決的問題，我們需要繼續投資基礎研究，同時與學術界正在進行的重要工作保持聯絡並從中學習。目前，我們的任務是繼續在量子計算堆疊中進行創新，繼續檢查我們是否使用了正確的架構，並將這些學習成果融入我們的工程工作中。這是一個持續改進和擴充套件的飛輪。”

為了解決實際問題，量子計算機可能需要結合量子糾錯，即邏輯量子位元被冗餘編碼在許多嘈雜的物理量子位元中。通常與糾錯相關的大量物理量子位元開銷促使人們尋找更高效的硬體方法。在這裡，我們使用微加工的超導量子電路，實現了由編碼的玻色子貓量子位元與距離為 d = 5 的外部重複碼連線形成的邏輯量子位元儲存器。使用穩定電路被動保護玻色子貓量子位元免受位元翻轉的影響。cat qubits相位翻轉誤差由重複碼糾正，該重複碼使用輔助傳輸器進行綜合徵測量。

我們實現了噪聲偏置 CX 門，可確保在糾錯期間保持位翻轉錯誤抑制。我們研究了邏輯量子位儲存器的效能和擴充套件性，發現相位翻轉校正重複程式碼在閾值以下執行，邏輯相位翻轉錯誤隨著程式碼距離從 d= 3 到 d= 5 而減小。同時，隨著 cat-qubit 平均光子數的增加，邏輯位翻轉錯誤得到抑制。距離為 3 的程式碼部分每週期測量到的最小邏輯錯誤平均為 1.75(2)%，距離為 5 的程式碼部分每週期測量到的最小邏輯錯誤平均為 1.65(3)%，證明了在整個糾錯週期中位翻轉錯誤抑制的有效性。這些結果表明，玻色子編碼的固有錯誤抑制使我們能夠使用硬體高效的外部糾錯碼，表明級聯玻色子碼是實現容錯量子計算的有力範例。

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