智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 徐豫
編輯 | 云鵬
繼谷歌、IBM、英特爾、微軟等科技大廠之后，AWS也有自研的量子計算芯片了。
智東西2月28日報道，AWS（亞馬遜云科技）昨夜發(fā)布了其首款量子計算芯片Ocelot，該芯片可降低超9成的量子誤差糾正所需成本，有助于做出更小、更可靠且成本更低的量子計算機，從而加速實際量子計算應用的開發(fā)。
Ocelot由加州理工學院 AWS 量子計算中心的團隊開發(fā)，現(xiàn)已在AWS的量子計算服務平臺Amazon Braket上開放使用。其采用了一種全新的架構(gòu)設計，從源頭內(nèi)置了誤差糾正機制，并引入了“貓量子比特”（cat qubit）技術。其中，“貓量子比特”這一名稱取自經(jīng)典的薛定諤貓思想實驗。該技術能夠從本質(zhì)上抑制某些錯誤，以大幅減少實現(xiàn)量子誤差糾正所需的資源。
AWS的研究人員首次將貓量子比特技術與其他量子誤差糾正組件，整合到一枚可利用微電子工藝大規(guī)模生產(chǎn)的微芯片上，即Ocelot。與過去的方法相比，Ocelot可將實現(xiàn)量子誤差糾正的成本降低不止90%。這標志著AWS在構(gòu)建實用容錯量子計算機方面取得了一項重大突破。
Ocelot是一款原型量子計算芯片，其中“原型”是指該芯片處于測試和研發(fā)階段，旨在測試AWS量子誤差糾正架構(gòu)的有效性。
Ocelot原型量子計算芯片的核心技術和元件如下：
1、芯片構(gòu)成：它由兩枚集成硅微芯片構(gòu)成，每枚芯片面積約1平方厘米，兩者通過電氣連接疊加成一塊芯片堆；
2、表面結(jié)構(gòu)：每枚芯片表面覆蓋有構(gòu)成量子電路元件的薄層超導材料；
3、核心組件：Ocelot芯片由14個核心組件構(gòu)成，包括5個數(shù)據(jù)量子比特（指貓量子比特）、5個用于穩(wěn)定數(shù)據(jù)量子比特的“緩沖電路”（buffer circuits），以及4個用于檢測數(shù)據(jù)量子比特錯誤的額外量子比特；
4、貓量子比特：貓量子比特用于存儲計算中使用的量子態(tài)，其工作依賴于一種稱為振蕩器（oscillator）的組件，后者會產(chǎn)生具有穩(wěn)定時序的重復電信號；
5、振蕩器材料：Ocelot的振蕩器由一種名為鉭（Tantalum）的超導材料薄膜制造，通過AWS自研技術處理后可大幅提升振蕩器性能。
其中，貓量子比特利用具有確定振幅和相位的類似經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加來編碼一個量子比特的信息。在Peter Shor于1995年發(fā)表其開創(chuàng)性論文后不久，有研究人員便開始研究基于貓量子比特的替代糾錯方案。
貓量子比特的一大優(yōu)勢在于其天然對比特翻轉(zhuǎn)（bit-flip）錯誤具有保護作用。比特翻轉(zhuǎn)指的是一個比特的狀態(tài)從0錯誤地變?yōu)?，或者從1錯誤地變?yōu)?，這種錯誤通常由硬件故障、噪聲、干擾或其他外部因素引起。通過增加振蕩器中的光子數(shù)量，可以使比特翻轉(zhuǎn)錯誤率呈指數(shù)級降低。
這意味著，與增加量子比特數(shù)量相比，研究人員可以簡單地增加振蕩器的能量，從而大幅提升糾錯效率。
過去十年中，許多開創(chuàng)性實驗體現(xiàn)出貓量子比特的潛力。然而，這些實驗大多集中于單個貓量子比特的演示，尚未解決貓量子比特能否集成到可擴展架構(gòu)中的問題。而AWS的Ocelot完成了貓量子比特和可擴展架構(gòu)的融合。
在AWS量子硬件主管Oskar Painter看來，量子計算機當前最大的問題不僅在于構(gòu)建更多的量子比特，而在于讓它們能夠穩(wěn)定可靠地工作。
量子計算機面臨的最大挑戰(zhàn)之一，是它們通常對環(huán)境中極微小的變化，又名“噪聲”（noise）異常敏感。振動、熱量、來自手機和WiFi網(wǎng)絡的電磁干擾，亦或是宇宙射線和來自外太空的輻射，都可能使量子比特偏離其量子態(tài)，從而引發(fā)計算錯誤。這也使得制造能夠執(zhí)行大規(guī)模、可靠且無誤差計算的量子計算機變得極為困難。
正是為了解決這一問題，量子計算機領域衍生出了量子誤差糾正技術。該技術通過在多個量子比特之間采用特殊的編碼方式，以“邏輯量子比特”（logical qubit）的形式來保護量子信息免受環(huán)境干擾，同時還能在錯誤發(fā)生時進一步檢測和糾正。
不過，由于實現(xiàn)準確計算所需的量子比特數(shù)量巨大，現(xiàn)有的量子誤差糾正方法成本極高。
Painter說道：“我們觀察了他人如何處理量子誤差糾正，并決定走一條不同的道路。”AWS沒有采用現(xiàn)有架構(gòu)后再試圖添加誤差糾正的方式，而是將量子誤差糾正作為首要考慮條件，來選擇其量子比特和架構(gòu)。Painter相信，如果要生產(chǎn)出實用的量子計算機，量子誤差糾正必須放在首位。
此外，據(jù)Painter的團隊估計，將Ocelot量子計算芯片擴展為一臺“能夠?qū)ι鐣a(chǎn)生變革性影響的成熟量子計算機”，所需資源僅為標準量子誤差糾正方法的十分之一。這一成本的大幅降低，得益于AWS的多項技術突破。
基于超導量子電路，Ocelot在以下3個大方面取得了重大的技術突破：
1、首次實現(xiàn)了用于玻色子糾錯（bosonic error correction）的可擴展架構(gòu)，超越了傳統(tǒng)量子比特方案在降低糾錯開銷方面的局限，玻色子糾錯是一種利用玻色子（如光子）的量子態(tài)進行量子信息編碼和糾錯的方法，貓量子比特正是玻色子糾錯的一種重要實現(xiàn)方式；
2、首次實現(xiàn)了噪聲偏置門（noise-biased gate），這是解鎖構(gòu)建具有硬件高效性且可擴展、具有商業(yè)應用前景的量子計算機所必需的關鍵技術，其通過設計特殊的量子門操作，使得噪聲主要表現(xiàn)為一種類型的錯誤（如相位翻轉(zhuǎn)），而不是隨機的多種錯誤類型，從而讓偏置噪聲更容易被糾錯碼檢測和糾正；
3、實現(xiàn)了超導量子比特（superconducting qubit）的最先進性能，其比特翻轉(zhuǎn)（bit-flip）時間不到1秒，同時相位翻轉(zhuǎn)（phase-flip）時間約為20微秒。
日前，Ocelot及其量子糾錯性能的測量結(jié)果，以及相關研究成果已在國際科學頂刊Nature上發(fā)表。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08642-7
研究報告中提到，Ocelot利用芯片級集成的貓量子比特，構(gòu)建了一種可擴展且硬件高效的量子糾錯架構(gòu)。這種方案有3大優(yōu)勢：
1、在物理量子比特層面，比特翻轉(zhuǎn)錯誤得到了指數(shù)級抑制；
2、采用了重復碼（repetition code）來糾正相位翻轉(zhuǎn)錯誤，這也是最簡單的經(jīng)典糾錯碼，其通過多次重復原始信息來實現(xiàn)糾錯；
3、其通過在每個貓量子比特與輔助跨諧振蕩（transmon）量子比特之間實現(xiàn)高度噪聲偏置的受控非門（noise-biased controlled-NOT gates，其中controlled-NOT簡稱C-NOT），實現(xiàn)了在保持貓量子比特對比特翻轉(zhuǎn)保護的同時，進行相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測。
針對噪聲偏置的專用碼，如Ocelot中使用的重復碼，能夠顯著減少所需物理量子比特的數(shù)量。同時，也是在該論文中，AWS團隊發(fā)現(xiàn)了與物理量子比特錯誤率相近的常規(guī)表面碼方法相比，Ocelot的擴展有望將量子糾錯成本降低9成。
Painter認為，隨著量子研究的最新進展，實際可用的容錯量子計算機何時能應用于現(xiàn)實世界，已不再是“是否”的問題，而是“何時”的問題，Ocelot則是這一進程中的重要一步。
他解釋道，未來，基于Ocelot架構(gòu)構(gòu)建的量子芯片，由于大幅減少了誤差糾正所需的資源，其成本可能僅為現(xiàn)有方法的五分之一。具體來說，AWS相信這將使其開發(fā)出實用量子計算機的時間點，至多會提前5年。
AWS方面透露將繼續(xù)投資于量子研究并不斷改進其方法，并正在開發(fā)新一代Ocelot，將借助組件性能提升和重復碼距離的增加，來使邏輯錯誤率按預期指數(shù)級下降。Painter說：“我們才剛剛起步，未來還將經(jīng)歷多個擴展階段。這是一個極其艱巨的挑戰(zhàn)，我們需要持續(xù)投入基礎研究，同時與學術界的重要成果保持聯(lián)系，并不斷學習。”
結(jié)語：量子計算領域獨家技術涌現(xiàn)，材料和架構(gòu)創(chuàng)新
AWS和微軟都在本月公布了各自在量子計算領域的最新成果，推動了實用量子計算技術的發(fā)展，例如加快藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)、新材料的生產(chǎn)，以及在金融市場上更精準地預測風險和制定投資策略等。
落地量子計算的實際應用需要依賴擁有數(shù)十億個量子門（量子計算機的基本運算單元）的復雜量子算法。而目前的量子計算機對環(huán)境噪聲極其敏感，現(xiàn)有的最佳量子硬件最多只能準確運行約一千個量子門。
對此，兩家此輪采取的技術路線各有千秋，AWS主攻架構(gòu)，微軟則主攻材料。AWS的Ocelot創(chuàng)新了貓量子比特的芯片級集成架構(gòu)，以降低量子計算機的錯誤率；而微軟的Majorana 1通過應用“拓撲導體”（topoconductor）這種全新材料來解決這一痛點。
來源：AWS、Nature
