AWS 的首款量子芯片使用“cat qubits”，随着系统中添加更多的量子比特，以指数方式减少错误。科学家们表示，这将导致可扩展且高效的量子计算机。
新的量子芯片使用 9 个量子比特，即 5 个抵抗位翻转错误的“猫”量子比特和 4 个超导量子比特来纠正相位翻转错误。这些与五个超导缓冲电路相结合，以稳定数据处理。 （图片来源：AWS）
Amazon Web Services （AWS） 推出了一款原型量子计算芯片，该芯片是世界上第一个配备防错“猫量子比特”的量子计算芯片，该芯片的基本单位的灵感来自著名的薛定谔猫思想实验。
量子处理单元 （QPU） 名为“Ocelot”，包括五个数据量子比特或猫量子比特，用于存储信息;由超导体钽制成的五个缓冲电路，用于稳定 CAT 量子比特;以及 4 个额外的量子比特，用于检测数据处理过程中发生的错误。
这些内部组件分为两个集成的硅微芯片，每个芯片的尺寸约为 0.16 平方英寸（1 平方厘米），使设备足够小，可以放在您的指尖上。
新架构旨在显著降低减少量子计算机中自然发生的错误所需的成本和能源——科学家们仍在努力寻找解决方案这一挑战（在 2024 年 2 月的一项研究和去年 4 月的另一项研究中取得了进展，其中包括）。
值得注意的是，研究人员表示，随着更多量子比特添加到芯片的未来版本中，这项新技术可以成倍减少错误。他们在 2 月 26 日发表在《自然》杂志上的一项新研究中概述了他们的发现。
降低量子噪声由于量子比特本质上是“嘈杂的”，这意味着它们对来自振动、热量、电磁干扰和太空辐射的干扰很敏感，因此它们比传统比特更容易出现故障。经典比特的错误率为 100 万分之一，而量子比特的错误率约为 1000 分之一。这种高得多的错误率通常会导致任何量子叠加在计算过程中崩溃，并在执行量子计算时失败。
这两种类型的错误是 bit-flip 错误，其中测量 0 的概率变为测量 1 的概率;以及相位翻转错误，即量子比特在其垂直轴上旋转 180 度。位翻转错误同时影响位和量子比特，而相位翻转错误仅影响量子比特。与经典计算中的纠错相比，在量子系统中纠正这两种类型的错误需要大量资源。
正因为如此，科学家们表示，量子计算机需要数百万个量子比特才能接近实现“量子霸权”——就构建和运行这样一台假设的机器所需的物理空间、能源和资源而言，这是不可行的。这就是为什么更多的研究集中在构建与纠错技术集成的可靠量子比特上。
“逻辑量子比特”由多个物理量子比特组成，这些量子比特存储相同的信息以分散故障点，是主流的纠错方法。然而，AWS 研究人员表示，如果不进一步改进硬件，目前的方法将付出巨大且令人望而却步的成本，因为它们需要数千个物理量子比特才能形成一个能够实现低错误率的逻辑量子比特。
然而，Ocelot采用了法国初创公司Alice & Bob开发的猫量子比特设计。该量子比特以著名的薛定谔猫思想实验命名，其设计方式使其本身具有抗位翻转错误的能力。
利用新的“猫量子比特”与 IBM 和 Google 等公司制造的机器中使用的传统超导量子比特不同，这些量子比特可以实现 1 和 0 的叠加，而猫量子比特可以同时实现两个量子态的双重叠加。Alice & Bob的科学家们在2024年发布的路线图和白皮书中概述了这项技术的工作原理。
cat 量子比特使用具有明确定义的振幅和相位的经典类状态的量子叠加来编码信息。它专门使用玻色子粒子对数据进行编码，在本例中为光子或光粒子。
泵入系统的能量越多，产生的光子就越多，可以访问的振幅或振荡器状态就越多，从而更好地保护量子信息。科学家们说，增加振荡器中的光子数量可以使位翻转误差的速率呈指数级减小。这意味着，要降低错误率，您无需增加量子比特计数;相反，您需要增加振荡器的能量。
过去十年的先前实验表明了猫量子比特在单量子比特演示中的潜力，包括 2015 年不同团队的一项研究和最近的 2024 年 5 月的一项研究。今年 1 月发表的一项研究还概述了一种受薛定谔猫启发的纠错方法。然而，AWS 的 Ocelot 是将相干多猫量子比特系统集成到使用现有制造方法构建的芯片中的第一个示例。
新的量子处理器用于证明，错误率从使用 3 个 cat 量子比特时的 1.72% 降低到使用 5 个 cat 量子比特时的 1.65%。（图片来源：AWS）
在这项新研究中，科学家们展示了使用 Ocelot 进行的测量，这些测量表明，在物理量子比特级别，位翻转误差呈指数级抑制，而相位翻转误差则使用最简单的纠错码（称为重复码）进行校正。cat 量子比特和纠错量子比特之间的门在检测相位翻转错误方面也很有效，同时保留了 cat 量子比特的功能以防止位翻转错误。
结果显示，比特翻转时间接近 1 秒，大约是传统超导量子比特寿命的 1000 倍。这是使用四个光子实现的，实现了以数十微秒为单位测量的相位翻转时间，这对于量子误差校正来说已经足够了。
然后，科学家们对该系统进行了测试，以确定这种架构在表现得像逻辑量子比特方面的有效性。在 3 个 cat 量子比特上运行代码时，总逻辑错误率为 1.72%，而使用 5 个 cat 量子比特时为 1.65%。它们总共有 9 个量子比特（5 个 cat 和 4 个纠错），其错误率与具有 49 个物理量子比特的系统相当。
可扩展的量子计算科学家们估计，使用 Ocelot 中的架构，具有“变革性社会影响”的未来量子计算机所需的资源只需标准量子纠错方法所需资源的十分之一。
该研究的合著者、加州理工学院理论物理学教授费尔南多·布兰当 （Fernando Brandão） 和加州理工学院应用物理学教授奥斯卡·佩恩特 （Oskar Painter） 在一篇技术博客文章中说：“正在开发的未来版本的 Ocelot 将成倍降低逻辑错误率，这既可以提高组件性能，又可以增加代码距离.“为偏置噪声定制的代码，例如 Ocelot 中使用的重复代码，可以显着减少所需的物理量子比特数量，”他们说。
“我们相信，Ocelot 的架构及其硬件高效的纠错方法，使我们能够很好地应对量子计算的下一阶段：学习如何扩展，”Brandão 和 Painter 补充道。使用硬件高效方法进行扩展将使我们能够更快、更经济高效地实现造福社会的纠错量子计算机。
