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(jì)算芯片了。
智東西2月28日報(bào)道，AWS（亞馬遜云科技）昨夜發(fā)布了其首款量子計(jì)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(jì)算機(jī)，從而加速實(shí)際量子計(jì)算應(yīng)用的開發(fā)。
Ocelot由加州理工學(xué)院 AWS 量子計(jì)算中心的團(tuán)隊(duì)開發(fā)，現(xiàn)已在AWS的量子計(jì)算服務(wù)平臺Amazon Braket上開放使用。其采用了一種全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，從源頭內(nèi)置了誤差糾正機(jī)制，并引入了“貓量子比特”（cat qubit）技術(shù)。其中，“貓量子比特”這一名稱取自經(jīng)典的薛定諤貓思想實(shí)驗(yàn)。該技術(shù)能夠從本質(zhì)上抑制某些錯(cuò)誤，以大幅減少實(shí)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(shù)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(shí)現(xiàn)量子誤差糾正的成本降低不止90%。這標(biāo)志著AWS在構(gòu)建實(shí)用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)方面取得了一項(xiàng)重大突破。
Ocelot是一款原型量子計(jì)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(jì)算芯片的核心技術(shù)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(dǎo)材料；
3、核心組件：Ocelot芯片由14個(gè)核心組件構(gòu)成，包括5個(gè)數(shù)據(jù)量子比特（指貓量子比特）、5個(gè)用于穩(wěn)定數(shù)據(jù)量子比特的“緩沖電路”（buffer circuits），以及4個(gè)用于檢測數(shù)據(jù)量子比特錯(cuò)誤的額外量子比特；
4、貓量子比特：貓量子比特用于存儲計(jì)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(shí)序的重復(fù)電信號；
5、振蕩器材料：Ocelot的振蕩器由一種名為鉭（Tantalum）的超導(dǎo)材料薄膜制造，通過AWS自研技術(shù)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(gè)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(cuò)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(cuò)誤具有保護(hù)作用。比特翻轉(zhuǎn)指的是一個(gè)比特的狀態(tài)從0錯(cuò)誤地變?yōu)?，或者從1錯(cuò)誤地變?yōu)?，這種錯(cuò)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(cuò)誤率呈指數(shù)級降低。
這意味著，與增加量子比特?cái)?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(cuò)效率。
過去十年中，許多開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出貓量子比特的潛力。然而，這些實(shí)驗(yàn)大多集中于單個(gè)貓量子比特的演示，尚未解決貓量子比特能否集成到可擴(kuò)展架構(gòu)中的問題。而AWS的Ocelot完成了貓量子比特和可擴(kuò)展架構(gòu)的融合。
在AWS量子硬件主管Oskar Painter看來，量子計(jì)算機(jī)當(dāng)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(jì)算機(jī)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(dòng)、熱量、來自手機(jī)和WiFi網(wǎng)絡(luò)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(jì)算錯(cuò)誤。這也使得制造能夠執(zhí)行大規(guī)模、可靠且無誤差計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)變得極為困難。
正是為了解決這一問題，量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域衍生出了量子誤差糾正技術(shù)。該技術(shù)通過在多個(gè)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(hù)量子信息免受環(huán)境干擾，同時(shí)還能在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)進(jìn)一步檢測和糾正。
不過，由于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算所需的量子比特?cái)?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�！盇WS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(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，量子誤差糾正必須放在首位。
此外，據(jù)Painter的團(tuán)隊(duì)估計(jì)，將Ocelot量子計(jì)算芯片擴(kuò)展為一臺“能夠?qū)ι鐣a(chǎn)生變革性影響的成熟量子計(jì)算機(jī)”，所需資源僅為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)技術(shù)突破。
基于超導(dǎo)量子電路，Ocelot在以下3個(gè)大方面取得了重大的技術(shù)突破：
1、首次實(shí)現(xiàn)了用于玻色子糾錯(cuò)（bosonic error correction）的可擴(kuò)展架構(gòu)，超越了傳統(tǒng)量子比特方案在降低糾錯(cuò)開銷方面的局限，玻色子糾錯(cuò)是一種利用玻色子（如光子）的量子態(tài)進(jìn)行量子信息編碼和糾錯(cuò)的方法，貓量子比特正是玻色子糾錯(cuò)的一種重要實(shí)現(xiàn)方式；
2、首次實(shí)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(kuò)展、具有商業(yè)應(yīng)用前景的量子計(jì)算機(jī)所必需的關(guān)鍵技術(shù)，其通過設(shè)計(jì)特殊的量子門操作，使得噪聲主要表現(xiàn)為一種類型的錯(cuò)誤（如相位翻轉(zhuǎn)），而不是隨機(jī)的多種錯(cuò)誤類型，從而讓偏置噪聲更容易被糾錯(cuò)碼檢測和糾正；
3、實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特（superconducting qubit）的最先進(jìn)性能，其比特翻轉(zhuǎn)（bit-flip）時(shí)間不到1秒，同時(shí)相位翻轉(zhuǎn)（phase-flip）時(shí)間約為20微秒。
日前，Ocelot及其量子糾錯(cuò)性能的測量結(jié)果，以及相關(guān)研究成果已在國際科學(xué)頂刊Nature上發(fā)表。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08642-7
研究報(bào)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(kuò)展且硬件高效的量子糾錯(cuò)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(cuò)誤得到了指數(shù)級抑制；
2、采用了重復(fù)碼（repetition code）來糾正相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，這也是最簡單的經(jīng)典糾錯(cuò)碼，其通過多次重復(fù)原始信息來實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)；
3、其通過在每個(gè)貓量子比特與輔助跨諧振蕩（transmon）量子比特之間實(shí)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(shí)現(xiàn)了在保持貓量子比特對比特翻轉(zhuǎn)保護(hù)的同時(shí)，進(jìn)行相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤檢測。
針對噪聲偏置的專用碼，如Ocelot中使用的重復(fù)碼，能夠顯著減少所需物理量子比特的數(shù)量。同時(shí)，也是在該論文中，AWS團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了與物理量子比特錯(cuò)誤率相近的常規(guī)表面碼方法相比，Ocelot的擴(kuò)展有望將量子糾錯(cuò)成本降低9成。
Painter認(rèn)為，隨著量子研究的最新進(jìn)展，實(shí)際可用的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界，已不再是“是否”的問題，而是“何時(shí)”的問題，Ocelot則是這一進(jìn)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(shí)用量子計(jì)算機(jī)的時(shí)間點(diǎn)，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(jìn)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(fù)碼距離的增加，來使邏輯錯(cuò)誤率按預(yù)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(gè)擴(kuò)展階段。這是一個(gè)極其艱巨的挑戰(zhàn)，我們需要持續(xù)投入基礎(chǔ)研究，同時(shí)與學(xué)術(shù)界的重要成果保持聯(lián)系，并不斷學(xué)習(xí)�！�
結(jié)語：量子計(jì)算領(lǐng)域獨(dú)家技術(shù)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(jì)算領(lǐng)域的最新成果，推動(dòng)了實(shí)用量子計(jì)算技術(shù)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(zhǔn)地預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)和制定投資策略等。
落地量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用需要依賴擁有數(shù)十億個(gè)量子門（量子計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算單元）的復(fù)雜量子算法。而目前的量子計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確運(yùn)行約一千個(gè)量子門。
對此，兩家此輪采取的技術(shù)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(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率；而微軟的Majorana 1通過應(yīng)用“拓?fù)鋵?dǎo)體”（topoconductor）這種全新材料來解決這一痛點(diǎn)。
來源：AWS、Nature
