繼谷歌、亞馬微軟之后，遜首芯片亞馬遜近日也發(fā)布了自家的款量第一代量子計算芯片 Ocelot，首次實現(xiàn)了可擴展的發(fā)布玻色子糾錯架構(gòu)，與目前的量糾量子糾錯方式相比成本可以降低超過90%。

亞馬遜表示，錯成Ocelot 實現(xiàn)了以下重大技術(shù)進步：

首次實現(xiàn)了可擴展的本降玻色子糾錯架構(gòu)，超越了傳統(tǒng)的亞馬量子比特方法，降低了糾錯開銷；首次實現(xiàn)噪聲偏置門——這是遜首芯片解鎖構(gòu)建可擴展、商業(yè)上可行的款量量子計算機所必需的硬件高效糾錯類型的關(guān)鍵；超導(dǎo)量子比特的先進性能，位翻轉(zhuǎn)時間接近一秒，發(fā)布而相位翻轉(zhuǎn)時間為 20 微秒。量糾

△組成 Ocelot 邏輯量子比特存儲芯片的錯成一對硅微芯片

亞馬遜表示，“我們相信，本降將 Ocelot 擴展為能夠產(chǎn)生變革性社會影響的亞馬成熟量子計算機，所需的資源僅為常見方法的十分之一，有助于更接近實用量子計算的時代。”

量子糾錯：可靠量子計算的關(guān)鍵

量子計算機有望以比傳統(tǒng)計算機更快的速度（甚至指數(shù)級）執(zhí)行某些計算。這意味著量子計算機可以解決一些傳統(tǒng)計算永遠無法解決的問題。

量子計算的實際應(yīng)用將需要復(fù)雜的量子算法和數(shù)十億個量子門——這是量子計算機的基本操作。但目前的量子計算機對環(huán)境噪聲極其敏感，這意味著當今最好的量子硬件也只能無錯誤地運行大約一千個門。我如何彌補這一差距？

量子糾錯理論于 20 世紀 90 年代首次提出，它提供了一種解決方案。通過在多個物理量子位之間共享每個邏輯量子位中的信息，可以保護量子計算機中的信息免受外部噪聲的影響。不僅如此，還可以以類似于數(shù)字存儲和通信中使用的經(jīng)典糾錯方法的方式檢測和糾正錯誤。

最近的實驗已經(jīng)顯示出有希望的進展，但當今基于超導(dǎo)或原子量子比特的最佳邏輯量子比特的錯誤率仍然比已知具有實用性和量子優(yōu)勢的量子算法所需的錯誤率高出十億倍。

量子比特開銷的挑戰(zhàn)

雖然量子糾錯提供了一種途徑來彌補當今錯誤率與實際量子計算所需錯誤率之間的巨大差距，但它在資源開銷方面也付出了沉重的代價。降低邏輯量子比特錯誤率需要擴大每個邏輯量子比特的物理量子比特數(shù)量的冗余度。

傳統(tǒng)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比特有數(shù)千個（如果我們非常非常努力的話，將來可能要有數(shù)百個）物理量子比特才能達到所需的錯誤率。這意味著一臺商用量子計算機將需要數(shù)百萬個物理量子比特——比當前硬件的量子比特數(shù)量高出許多個數(shù)量級。

造成這種高開銷的一個根本原因是量子系統(tǒng)會遇到兩種類型的錯誤：位翻轉(zhuǎn)錯誤（也存在于經(jīng)典位中）和相位翻轉(zhuǎn)錯誤（量子位獨有）。經(jīng)典位只需要糾正位翻轉(zhuǎn)，而量子位則需要額外的冗余層來處理這兩種類型的錯誤。

雖然很微妙，但這種增加的復(fù)雜性導(dǎo)致量子系統(tǒng)需要大量的資源開銷。相比之下，一個好的經(jīng)典糾錯碼可以實現(xiàn)我們期望的量子計算錯誤率，而開銷不到 30%，大約是傳統(tǒng)表面代碼方法開銷的萬分之一（假設(shè)比特錯誤率為 0.5%，與當前硬件中的量子比特錯誤率相似）。

Cat量子比特：一種更有效的糾錯方法

自然界中的量子系統(tǒng)可能比量子比特更復(fù)雜，量子比特僅由兩個量子態(tài)組成（通常標記為0和1，類似于經(jīng)典數(shù)字比特）。以簡單的諧振子為例，它以明確的頻率振蕩。諧振子有各種各樣的形狀和大小，從用于在播放音樂時保持時間的機械節(jié)拍器到用于雷達和通信系統(tǒng)的微波電磁振蕩器。

經(jīng)典上，振蕩器的狀態(tài)可以用其振蕩的振幅和相位來表示。從量子力學(xué)的角度來看，情況類似，盡管振幅和相位永遠不會同時完美定義，并且與添加到系統(tǒng)中的每個能量量子相關(guān)的振幅都存在潛在的顆粒度。

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(guān)。我們向系統(tǒng)中注入的能量越多，我們產(chǎn)生的玻色子（光子）就越多，我們可以訪問的振蕩器狀態(tài)（振幅）就越多。玻色子量子誤差校正依賴于玻色子 而不是簡單的雙態(tài)量子比特系統(tǒng)，它使用這些額外的振蕩器狀態(tài)更有效地保護量子信息免受環(huán)境噪聲的影響，并進行更高效的誤差校正。

一種玻色子量子糾錯使用Cat量子比特，以埃爾溫·薛定諤著名思想實驗中的死/活薛定諤貓命名。Cat量子比特使用具有明確振幅和相位的類經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加來編碼量子比特的信息。就在彼得·肖爾 1995 年發(fā)表關(guān)于量子糾錯的開創(chuàng)性論文幾年后，研究人員開始悄悄開發(fā)一種基于Cat量子比特的糾錯替代方法。

Cat量子比特的主要優(yōu)勢在于其固有的防位翻轉(zhuǎn)錯誤保護。增加振蕩器中的光子數(shù)量可以使位翻轉(zhuǎn)錯誤的發(fā)生率呈指數(shù)級下降。這意味著我們無需增加量子比特數(shù)，只需增加振蕩器的能量，就可以使糾錯效率大大提高。

過去十年，許多開創(chuàng)性的實驗都展示了Cat量子比特的潛力。然而，這些實驗大多集中于單Cat量子比特演示，而Cat量子比特能否集成到可擴展架構(gòu)中仍是一個懸而未決的問題。

Ocelot：展示玻色子量子糾錯的可擴展性

今天，我們在《自然》雜志上發(fā)表了對 Ocelot 的測量結(jié)果及其量子糾錯性能。Ocelot 代表著邁向?qū)嵱昧孔佑嬎銠C的重要一步，它利用Cat量子比特的芯片級集成來形成可擴展、硬件高效的量子糾錯架構(gòu)。在這種方法中，

位翻轉(zhuǎn)錯誤在物理量子位層面上被成倍地抑制；使用重復(fù)碼（最簡單的經(jīng)典糾錯碼）來糾正相位翻轉(zhuǎn)錯誤；并且每個Cat量子比特和輔助傳輸量子比特（超導(dǎo)量子電路中使用的常規(guī)量子比特）之間的高度噪聲偏置受控非（C-NOT）門能夠?qū)崿F(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測，同時保留Cat的位翻轉(zhuǎn)保護。

△Ocelot 芯片中實現(xiàn)的邏輯量子位的圖形演示：邏輯量子位由 cat 數(shù)據(jù)量子位、transmon 輔助量子位和緩沖模式的線性陣列組成。連接到每個 cat 數(shù)據(jù)量子位的緩沖模式用于糾正位翻轉(zhuǎn)錯誤，而 cat 數(shù)據(jù)量子位線性陣列上的重復(fù)代碼用于檢測和糾正相位翻轉(zhuǎn)錯誤。重復(fù)代碼在每對相鄰的 cat 數(shù)據(jù)量子位和共享的 transmon 輔助量子位之間使用噪聲偏置受控非門操作來標記和定位 cat 數(shù)據(jù)量子位陣列內(nèi)的相位翻轉(zhuǎn)錯誤。在此圖中，已在中間的 cat 數(shù)據(jù)量子位上檢測到相位翻轉(zhuǎn)（或 Z）錯誤。

Ocelot 邏輯量子比特存儲芯片（如上圖所示）由五個 cat 數(shù)據(jù)量子比特組成，每個量子比特都包含一個用于存儲量子數(shù)據(jù)的振蕩器。每個 cat 量子比特的存儲振蕩器都連接到兩個輔助 transmon 量子比特，用于相位翻轉(zhuǎn)誤差檢測，并與一個特殊的非線性緩沖電路配對，用于穩(wěn)定 cat 量子比特狀態(tài)并指數(shù)級抑制比特翻轉(zhuǎn)誤差。

調(diào)整 Ocelot 設(shè)備需要根據(jù) cat 振幅（平均光子數(shù)）校準 cat 量子比特的位和相位翻轉(zhuǎn)錯誤率，并優(yōu)化用于相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測的 C-NOT 門的噪聲偏差。我們的實驗結(jié)果表明，我們可以實現(xiàn)接近一秒的位翻轉(zhuǎn)時間，比傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特的壽命長一千多倍。

至關(guān)重要的是，這可以通過小至四個光子的Cat振幅來實現(xiàn)，使我們能夠保留數(shù)十微秒的相位翻轉(zhuǎn)時間，足以進行量子糾錯。從那里，我們運行一系列糾錯周期來測試電路作為邏輯量子位存儲器的性能。為了表征重復(fù)代碼的性能和架構(gòu)的可擴展性，我們研究了 Ocelot Cat量子比特的子集，代表不同的重復(fù)代碼長度。

當代碼距離從distance-3 增加到distance-5（即從具有三個Cat量子比特的代碼到具有五個Cat量子比特的代碼）時，在很寬的Cat光子數(shù)范圍內(nèi)，邏輯相位翻轉(zhuǎn)錯誤率顯著下降，這表明了重復(fù)代碼的有效性。

當包含位翻轉(zhuǎn)錯誤時，distance-3代碼的總邏輯錯誤率測量為每周期 1.72%，distance-5代碼的總邏輯錯誤率測量為每周期 1.65%。distance-5代碼的總錯誤率與距離較短的distance-3 代碼的總錯誤率相當，distance-3代碼的 cat 量子比特較少，位翻轉(zhuǎn)錯誤的可能性也較大，這可以歸因于 C-NOT 門的噪聲偏差較大，并且能夠有效抑制位翻轉(zhuǎn)錯誤。正是這種噪聲偏差使得 Ocelot 能夠以不到五分之一的量子比特（五個數(shù)據(jù)量子比特和四個輔助量子比特）實現(xiàn)distance-5代碼，而表面代碼設(shè)備則需要 49 個量子比特。

規(guī)模至關(guān)重要

從現(xiàn)代 GPU 中的數(shù)十億個晶體管到支持 AI 模型的大規(guī)模 GPU 集群，高效擴展的能力是技術(shù)進步的關(guān)鍵驅(qū)動力。同樣，擴展量子比特的數(shù)量以適應(yīng)量子糾錯所需的開銷將是實現(xiàn)具有商業(yè)價值的量子計算機的關(guān)鍵。

但計算歷史表明，擴展正確的組件可能會對成本、性能甚至可行性產(chǎn)生巨大影響。當晶體管取代真空管成為擴展的基本構(gòu)件時，計算機革命才真正開始。

Ocelot 是我們的第一款采用Cat量子比特架構(gòu)的芯片，也是對其作為實現(xiàn)量子糾錯的基本構(gòu)建塊的適用性的初步測試。Ocelot 的未來版本正在開發(fā)中，它將通過組件性能的提高和代碼距離的增加來成倍地降低邏輯錯誤率。

針對有偏噪聲定制的代碼（例如 Ocelot 中使用的重復(fù)代碼）可以顯著減少所需的物理量子比特數(shù)。在我們即將發(fā)表的論文“用于可擴展、硬件高效量子糾錯的混合 cat-transmon 架構(gòu)”中，我們發(fā)現(xiàn)與具有類似物理量子比特錯誤率的傳統(tǒng)表面代碼方法相比，擴展 Ocelot 可以將量子糾錯開銷減少高達 90%。

亞馬遜相信，Ocelot 的架構(gòu)及其高效的硬件糾錯方法使我們能夠很好地應(yīng)對量子計算的下一階段：學(xué)習(xí)如何擴展。使用高效的硬件方法將使我們能夠更快、更經(jīng)濟高效地實現(xiàn)一臺造福社會的糾錯量子計算機。

亞馬遜表示：“過去幾年，量子計算進入了一個激動人心的新時代，量子糾錯已從黑箱走向測試臺。借助 Ocelot，我們才剛剛開始走上容錯量子計算的道路。對于有興趣加入我們這一旅程的人，我們正在招聘量子計算堆棧中的職位。”