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2025年2月2
8
日消息
——亚马逊云服务（AWS）今日宣布推出其首款量子芯片“Ocelot”，标志着该公司在量子计算领域的重要突破。Ocelot基于超导量子电路设计，旨在开发一种资源高效且可扩展的量子纠错硬件实现。这一创新成果有望加速实用量子计算时代的到来，为社会带来深远影响。
Ocelot的三大技术突破
Ocelot在量子计算领域取得了以下重大进展：
1. 首次实现可扩展的玻色子纠错架构：超越传统量子比特（qubit）方法，大幅降低纠错所需的资源开销。
2. 首次实现噪声偏置门（noise-biased gate）：这是构建可扩展、商业化量子计算机所需的高效纠错技术的关键。
3. 超导量子比特性能达到业界领先水平：位翻转时间（bit-flip time）接近1秒，同时相位翻转时间（phase-flip time）达到20微秒。
根据AWS的描述，Ocelot逻辑量子比特存储芯片由一对硅微芯片组成（见附图）。AWS认为，将Ocelot扩展为具备社会变革性影响的完整量子计算机所需的资源可能仅为传统方法的十分之一，这一优势将推动实用量子计算的实现。
量子性能差距：从理论到实践的挑战
量子计算机承诺以远超经典计算机的速度——甚至呈指数级更快——执行某些计算。这意味着量子计算机能够解决一些经典计算永远无法企及的问题。然而，实用量子计算需要复杂的量子算法，涉及数十亿个量子门（量子计算机的基本操作）。但当前量子计算机对环境噪声极为敏感，最先进的量子硬件目前只能在不出现错误的情况下运行约一千个量子门。要弥合这一性能差距，关键在于量子纠错技术。
量子纠错：通向可靠量子计算的关键
量子纠错理论最早在20世纪90年代提出，通过将每个逻辑量子比特的信息分布在多个物理量子比特上，可以保护量子计算机中的信息免受外部噪声干扰。不仅如此，错误还可以以类似经典数字存储和通信中纠错方法的方式被检测和纠正。
尽管近期实验显示出令人振奋的进展，但基于超导或原子量子比特的最佳逻辑量子比特，其错误率仍比已知实用量子算法和量子优势所需的目标错误率高出十亿倍。
量子比特开销的挑战
量子纠错为弥合当前错误率与实用量子计算所需错误率之间的巨大差距提供了路径，但其代价是资源开销的严重增加。降低逻辑量子比特的错误率需要增加每个逻辑量子比特的物理量子比特冗余。
传统量子纠错方法，如使用表面纠错码（surface error-correcting code），目前需要数千个物理量子比特（如果我们真的非常努力地工作，也许在未来需要数百个）来实现每个逻辑量子比特所需的目标错误率。这意味着一台商用的量子计算机将需要数百万个物理量子比特——远远超过当前硬件的量子比特数量。
这种高开销的一个根本原因是量子系统会遇到两种错误：位翻转错误（bit-flip errors，经典比特也存在）和相位翻转错误（phase-flip errors，仅量子比特独有）。相比之下，经典比特只需纠正位翻转错误，而量子比特需要额外的冗余层来处理两种错误。这种微妙的复杂性导致了量子系统的巨大资源开销。相比之下，一个优秀的经典纠错码只需不到30%的开销就能实现量子计算所需的错误率，大约是传统表面码方法（假设物理量子比特错误率为0.5%，与当前硬件类似）的万分之一。
Cat量子比特：更高效的纠错方法
自然界中的量子系统可能比仅包含两个量子状态（通常类比经典数字比特的0和1）的量子比特更复杂。以简单谐振子为例，它以明确频率振荡。谐振子种类繁多，从用于音乐演奏计时的机械节拍器到雷达和通信系统中使用的微波电磁振荡器，都属于这一类。
经典情况下，振荡器的状态可以通过振荡的幅度和相位表示。量子力学上情况类似，但幅度和相位无法同时完全确定，且幅度具有与每个能量量子相关联的粒度。
这些能量量子被称为玻色子，最广为人知的例子是与电磁场相关的光子。我们向系统中注入越多能量，创建的玻色子（光子）越多，可访问的振荡器状态（幅度）也越多。玻色子量子纠错依赖玻色子而非简单的双状态量子比特系统，利用这些额外的振荡器状态更有效地保护量子信息免受环境噪声干扰，并实现更高效的纠错。
一种玻色子量子纠错类型使用猫态量子比特（cat qubits），得名于埃尔温·薛定谔著名思想实验中死/活的薛定谔猫。猫态量子比特利用经典状态的量子叠加（具有明确幅度和相位的状态）来编码一个量子比特的信息。在彼得·肖尔（Peter Shor）1995年关于量子纠错的开创性论文发表几年后，研究人员开始悄然开发基于猫态量子比特的替代纠错方法。
猫态量子比特的一个主要优势是其对位翻转错误的固有保护。增加振荡器中的光子数量可以使位翻转错误率呈指数级下降。这意味着我们无需增加量子比特数量，只需提高振荡器的能量，使纠错效率大幅提高。
过去十年中，先锋实验展示了猫态量子比特的潜力。然而，这些实验大多集中在单个猫态量子比特的演示上，关于猫态量子比特是否能集成到可扩展架构中的问题仍未解决。
Ocelot：展示玻色子量子纠错的可扩展性
今日在《自然》（Nature）杂志上，AWS公布了关于Ocelot及其量子纠错性能的测量结果。Ocelot是迈向实用量子计算机的重要一步，利用芯片级集成猫态量子比特，形成一种可扩展、高效的量子纠错架构。在这一方法中：
- 位翻转错误在物理量子比特层面被指数级抑制；
- 相位翻转错误使用重复码（repetition code，最简单的经典纠错码）纠正；
- 高度噪声偏置的受控非门（C-NOT gates）在每个猫态量子比特与辅助超导量子比特（transmon qubits，超导量子电路中常用的常规量子比特）之间启用相位翻转错误检测，同时保留猫态量子比特对位翻转的保护。
Ocelot逻辑量子比特存储芯片（如上图所示）由五个猫态数据量子比特组成，每个量子比特包含一个用于存储量子数据的振荡器。
每个猫态量子比特的存储振荡器连接到两个辅助超导量子比特，用于相位翻转错误检测，并配有特殊的非线性缓冲电路，用于稳定猫态量子比特状态并指数级抑制位翻转错误。
调整Ocelot设备涉及校准猫态量子比特的位翻转和相位翻转错误率（相对于猫态幅度，即平均光子数），并优化用于相位翻转错误检测的C-NOT门的噪声偏置。我们的实验结果显示，位翻转时间可接近1秒，比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。
关键的是，这只需猫态幅度达到四光子即可实现，我们还能保持相位翻转时间在数十微秒，足以进行量子纠错。之后，我们运行一系列纠错周期，测试电路作为逻辑量子比特存储的性能。为了表征重复码的性能和架构的可扩展性，我们研究了Ocelot猫态量子比特的子集，代表不同重复码长度。
当代码纠错码距从3（三个猫态量子比特）增加到5（五个猫态量子比特）时，逻辑相位翻转错误率显著下降，适用于广泛的猫态光子数量范围，这表明重复码的有效性。
