发布日期：2024-05-31 16:49    点击次数：76

EETOP 北京时刻2025年2月28日音信——亚马逊云处事（AWS）当天晓谕推出其首款量子芯片“Ocelot”，象征着该公司在量子狡计边界的长途破裂。Ocelot基于超导量子电路联想，旨在斥地一种资源高效且可彭胀的量子纠错硬件完毕。这一创新恶果有望加快实用量子狡计时期的到来，为社会带来深远影响。

Ocelot的三大技巧破裂

Ocelot在量子狡计边界得到了以下要紧发扬：

1. 初度完毕可彭胀的玻色子纠错架构：超越传统量子比特（qubit）方法，大幅裁汰纠错所需的资源支出。

2. 初度完毕噪声偏置门（noise-biased gate）：这是构建可彭胀、买卖化量子狡计机所需的高效纠错技巧的关节。

3. 超导量子比特质能达到业界最初水平：位翻转时刻（bit-flip time）接近1秒，同期相位翻转时刻（phase-flip time）达到20微秒。

凭据AWS的形色，Ocelot逻辑量子比特存储芯片由一双硅微芯片构成（见附图）。AWS以为，将Ocelot彭胀为具备社会变革性影响的完好量子狡计机所需的资源可能仅为传统方法的十分之一，这一上风将鼓励实用量子狡计的完毕。

量子性能差距：从表面到本质的挑战

量子狡计机同意以远超经典狡计机的速率——以致呈指数级更快——奉行某些狡计。这意味着量子狡计机约略科罚一些经典狡计历久无法企及的问题。然则，实用量子狡计需要复杂的量子算法，波及数十亿个量子门（量子狡计机的基本操作）。但现时量子狡计机对环境噪声极为明锐，开始进的量子硬件咫尺只可在不出现造作的情况下运行约一千个量子门。要弥合这一性能差距，关节在于量子纠错技巧。

量子纠错：通向可靠量子狡计的关节

量子纠错表面最早在20世纪90年代提倡，通过将每个逻辑量子比特的信息散播在多个物理量子比特上，不错保护量子狡计机中的信息免受外部噪声打扰。不仅如斯，造作还不错以类似经典数字存储和通讯中纠错方法的形态被检测和校正。

尽管近期实验流潜入令东谈主奋斗的发扬，但基于超导或原子量子比特的最好逻辑量子比特，其造作率仍比已知实用量子算法和量子上风所需的规画造作率高出十亿倍。

量子比特支出的挑战

量子纠错为弥合现时造作率与实用量子狡计所需造作率之间的纷乱差距提供了旅途，但其代价是资源支出的严重增多。裁汰逻辑量子比特的造作率需要增多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，如使用名义纠错码（surface error-correcting code），咫尺需要数千个物理量子比特（若是咱们果然相称致力于地职责，也许在改日需要数百个）来完毕每个逻辑量子比特所需的规画造作率。这意味着一台商用的量子狡计机将需要数百万个物理量子比特——远远卓越现时硬件的量子比特数目。

这种高支出的一个根蒂原因是量子系统会碰到两种造作：位翻转造作（bit-flip errors，经典比特也存在）和相位翻转造作（phase-flip errors，仅量子比特私有）。比拟之下，经典比特只需校正位翻转造作，而量子比特需要零碎的冗余层来处理两种造作。这种诡秘的复杂性导致了量子系统的纷乱资源支出。比拟之下，一个优秀的经典纠错码只需不到30%的支出就能完毕量子狡计所需的造作率，大要是传统名义码方法（假定物理量子比特造作率为0.5%，与现时硬件类似）的万分之一。

Cat量子比特：更高效的纠错方法

当然界中的量子系统可能比仅包含两个量子情景（时常类比经典数字比特的0和1）的量子比特更复杂。以简便谐振子为例，它以明确频率回荡。谐振子种类高贵，从用于音乐演奏计时的机械节律器到雷达和通讯系统中使用的微波电磁回荡器，王人属于这一类。

经典情况下，回荡器的情景不错通过回荡的幅度和相位暗意。量子力学上情况类似，但幅度和相位无法同期弥散细目，且幅度具有与每个能量量子联系联的粒度。

这些能量量子被称为玻色子，最广为东谈主知的例子是与电磁场联系的光子。咱们向系统中注入越多能量，创建的玻色子（光子）越多，可探访的回荡器情景（幅度）也越多。玻色子量子纠错依赖玻色子而非简便的双情景量子比特系统，应用这些零碎的回荡器情景更灵验地保护量子信息免受环境噪声打扰，并完毕更高效的纠错。

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·薛定谔知名想想实验中死/活的薛定谔猫。猫态量子比特应用经典情景的量子叠加（具有明确幅度和相位的情景）来编码一个量子比特的信息。在彼得·肖尔（Peter Shor）1995年对于量子纠错的始创性论文发表几年后，臆想东谈主员运行悄然斥地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上风是其对位翻转造作的固有保护。增多回荡器中的光子数目不错使位翻转造作率呈指数级着落。这意味着咱们无需增多量子比特数目，只需普及回荡器的能量，使纠错效能大幅普及。

夙昔十年中，时尚实验展示了猫态量子比特的后劲。然则，这些实验大多汇集在单个猫态量子比特的演示上，迪士尼彩乐园对于猫态量子比特是否能集成到可彭胀架构中的问题仍未科罚。

Ocelot：展示玻色子量子纠错的可彭胀性

当天在《当然》（Nature）杂志上，AWS公布了对于Ocelot尽头量子纠错性能的测量适度。Ocelot是迈向实用量子狡计机的长途一步，应用芯片级集成猫态量子比特，造成一种可彭胀、高效的量子纠错架构。在这一方法中：

- 位翻转造作在物理量子比特层面被指数级阻止；

- 相位翻转造作使用肖似码（repetition code，最简便的经典纠错码）校正；

- 高度噪声偏置的受控非门（C-NOT gates）在每个猫态量子比特与扶植超导量子比特（transmon qubits，超导量子电路中常用的老例量子比特）之间启用相位翻转造作检测，同期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构成，每个量子比特包含一个用于存储量子数据的回荡器。每个猫态量子比特的存储回荡器连结到两个扶植超导量子比特，用于相位翻转造作检测，并配有特殊的非线性缓冲电路，用于默契猫态量子比特情景并指数级阻止位翻转造作。

疏浚Ocelot建造波及校准猫态量子比特的位翻转和相位翻转造作率（相对于猫态幅度，即平均光子数），并优化用于相位翻转造作检测的C-NOT门的噪声偏置。咱们的实验适度流露，位翻转时刻可接近1秒，比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。

关节的是，这只需猫态幅度达到四光子即可完毕，咱们还能保抓相位翻转时刻在数十微秒，足以进行量子纠错。之后，咱们运行一系列纠错周期，测试电路行动逻辑量子比特存储的性能。为了表征肖似码的性能和架构的可彭胀性，咱们臆想了Ocelot猫态量子比特的子集，代表不同肖似码长度。

现代码纠错码距从3（三个猫态量子比特）增多到5（五个猫态量子比特）时，逻辑相位翻转造作率权贵着落，适用于粗拙的猫态光子数目范围，这标明肖似码的灵验性。

当包括位翻转造作时，码距-3纠错码的总逻辑造作率为每周期1.72%，码距-5纠错码为每周期1.65%。码距-5纠错码的总造作率与较短的码距-3纠错码非常（使用较少的猫态量子比特和位翻转造作契机），成绩于C-NOT门的大噪声偏置尽头在阻止位翻转造作方面的灵验性。这种噪声偏置使Ocelot约略使用少于传统名义码建造五分之一的量子比特（五个数据量子比特和四个扶植量子比特，而名义码建造需要49个量子比特）完毕码距-5纠错码。

彭胀的长途性

从现代GPU中的数十亿个晶体管到维持AI模子的超大限度GPU集群，灵验彭胀才智是技巧越过的关节驱能源。通常，彭胀量子比特数目以兴盛量子纠错所需的支出，将是完毕买卖化价值量子狡计机的关节。

但狡计历史标明，彭胀正确的组件可能对本钱、性能以致可行性产生纷乱影响。狡计机创新实在腾飞时，晶体管取代真空管成为基本构建模块，鼓励了彭胀。

Ocelot是首款选拔猫态量子比特架构的芯片，亦然测试其行动完毕量子纠错基本构建模块适用性的初步尝试。改日的Ocelot版块正在斥地中，将通过改进组件性能和增多代码距离，指数级裁汰逻辑造作率。

针对偏置噪声量身定制的码，如Ocelot中使用的肖似码，不错权贵减少所需的物理量子比特数目。在AWS行将发表的论文《羼杂猫态-超导架构用于可彭胀、高效量子纠错》中，AWS发当今物理量子比特造作率相似的情况下，Ocelot不错将量子纠错支出比传统名义码方法减少高达90%。

AWS肯定，Ocelot的架构尽头高效纠错方法，为咱们科罚量子狡计的下一阶段——学习怎么彭胀——提供了故意条款。选拔硬件高效方法将使咱们更快、更经济地完毕存益于社会的纠错量子狡计机。

夙昔几年，量子狡计插足了一个粗莽东谈主心的新时期迪士尼彩乐园提现不了，量子纠错已从黑板走向实验台。

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