繼谷歌、微軟之後，亞馬遜近日也發布了自家的第一代量子計算芯片 Ocelot，首次實現了可擴展的玻色子糾錯架構，與目前的量子糾錯方式相比成本可以降低超過 90%。
亞馬遜表示，Ocelot 實現了以下重大技術進步：
首次實現了可擴展的玻色子糾錯架構，超越了傳統的量子比特方法，降低了糾錯開銷；首次實現噪聲偏置門——這是解鎖構建可擴展、商業上可行的量子計算機所必需的硬件高效糾錯類型的關鍵；超導量子比特的先進性能，位翻轉時間接近一秒，而相位翻轉時間爲 20 微秒。
△組成 Ocelot 邏輯量子比特存儲芯片的一對矽微芯片
亞馬遜表示，" 我們相信，将 Ocelot 擴展爲能夠産生變革性社會影響的成熟量子計算機，所需的資源僅爲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：可靠量子計算的關鍵
量子計算機有望以比傳統計算機更快的速度（甚至指數級）執行某些計算。這意味着量子計算機可以解決一些傳統計算永遠無法解決的問題。
量子計算的實際應用将需要複雜的量子算法和數十億個量子門——這是量子計算機的基本操作。但目前的量子計算機對環境噪聲極其敏感，這意味着當今最好的量子硬件也隻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，還可以以類似于數字存儲和通信中使用的經典糾錯方法的方式檢測和糾正錯誤。
最近的實驗已經顯示出有希望的進展，但當今基于超導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
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量的冗餘度。
傳統的量子糾錯方法，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千個（如果我們非常非常努力的話，将來可能要有數百個）物理量子比特才能達到所需的錯誤率。這意味着一台商用量子計算機将需要數百萬個物理量子比特——比當前硬件的量子比特數量高出許多個數量級。
造成這種高開銷的一個根本原因是量子系統會遇到兩種類型的錯誤：位翻轉錯誤（也存在于經典位中）和相位翻轉錯誤（量子位獨有）。經典位隻需要糾正位翻轉，而量子位則需要額外的冗餘層來處理這兩種類型的錯誤。
雖然很微妙，但這種增加的複雜性導緻量子系統需要大量的資源開銷。相比之下，一個好的經典糾錯碼可以實現我們期望的量子計算錯誤率，而開銷不到 30%，大約是傳統表面代碼方法開銷的萬分之一（假設比特錯誤率爲 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可能比量子比特更複雜，量子比特僅由兩個量子态組成（通常标記爲 0 和 1，類似于經典數字比特）。以簡單的諧振子爲例，它以明确的頻率振蕩。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拍器到用于雷達和通信系統的微波電磁振蕩器。
經典上，振蕩器的狀态可以用其振蕩的振幅和相位來表示。從量子力學的角度來看，情況類似，盡管振幅和相位永遠不會同時完美定義，并且與添加到系統中的每個能量量子相關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。我們向系統中注入的能量越多，我們産生的玻色子（光子）就越多，我們可以訪問的振蕩器狀态（振幅）就越多。玻色子量子誤差校正依賴于玻色子 而不是簡單的雙态量子比特系統，它使用這些額外的振蕩器狀态更有效地保護量子信息免受環境噪聲的影響，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 · 薛定谔著名思想實驗中的死 / 活薛定谔貓命名。Cat 量子比特使用具有明确振幅和相位的類經典狀态的量子疊加來編碼量子比特的信息。就在彼得 · 肖爾 1995 年發表關于量子糾錯的開創性論文幾年後，研究人員開始悄悄開發一種基于 Cat 量子比特的糾錯替代方法。
Cat 量子比特的主要優勢在于其固有的防位翻轉錯誤保護。增加振蕩器中的光子數量可以使位翻轉錯誤的發生率呈指數級下降。這意味着我們無需增加量子比特數，隻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》雜志上發表了對 Ocelot 的測量結果及其量子糾錯性能。Ocelot 代表着邁向實用量子計算機的重要一步，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。在這種方法中，
位翻轉錯誤在物理量子位層面上被成倍地抑制；使用重複碼（最簡單的經典糾錯碼）來糾正相位翻轉錯誤；并且每個 Cat 量子比特和輔助傳輸量子比特（超導量子電路中使用的常規量子比特）之間的高度噪聲偏置受控非（C-NOT）門能夠實現相位翻轉錯誤檢測，同時保留 Cat 的位翻轉保護。
△ Ocelot 芯片中實現的邏輯量子位的圖形演示：邏輯量子位由 cat 數據量子位、transmon 輔助量子位和緩沖模式的線性陣列組成。連接到每個 cat 數據量子位的緩沖模式用于糾正位翻轉錯誤，而 cat 數據量子位線性陣列上的重複代碼用于檢測和糾正相位翻轉錯誤。重複代碼在每對相鄰的 cat 數據量子位和共享的 transmon 輔助量子位之間使用噪聲偏置受控非門操作來标記和定位 cat 數據量子位陣列内的相位翻轉錯誤。在此圖中，已在中間的 cat 數據量子位上檢測到相位翻轉（或 Z）錯誤。
Ocelot 邏輯量子比特存儲芯片（如上圖所示）由五個 cat 數據量子比特組成，每個量子比特都包含一個用于存儲量子數據的振蕩器。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，用于相位翻轉誤差檢測，并與一個特殊的非線性緩沖電路配對，用于穩定 cat 量子比特狀态并指數級抑制比特翻轉誤差。
調整 Ocelot 設備需要根據 cat 振幅（平均光子數）校準 cat 量子比特的位和相位翻轉錯誤率，并優化用于相位翻轉錯誤檢測的 C-NOT 門的噪聲偏差。我們的實驗結果表明，我們可以實現接近一秒的位翻轉時間，比傳統超導量子比特的壽命長一千多倍。
至關重要的是，這可以通過小至四個光子的 Cat 振幅來實現，使我們能夠保留數十微秒的相位翻轉時間，足以進行量子糾錯。從那裏，我們運行一系列糾錯周期來測試電路作爲邏輯量子位存儲器的性能。爲了表征重複代碼的性能和架構的可擴展性，我們研究了 Ocelot Cat 量子比特的子集，代表不同的重複代碼長度。
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 光子數範圍内，邏輯相位翻轉錯誤率顯著下降，這表明了重複代碼的有效性。
當包含位翻轉錯誤時，distance-3 代碼的總邏輯錯誤率測量爲每周期 1.72%，distance-5 代碼的總邏輯錯誤率測量爲每周期 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（五個數據量子比特和四個輔助量子比特）實現 distance-5 代碼，而表面代碼設備則需要 49 個量子比特。
規模至關重要
從現代 GPU 中的數十億個晶體管到支持 AI 模型的大規模 GPU 集群，高效擴展的能力是技術進步的關鍵驅動力。同樣，擴展量子比特的數量以适應量子糾錯所需的開銷将是實現具有商業價值的量子計算機的關鍵。
但計算曆史表明，擴展正确的組件可能會對成本、性能甚至可行性産生巨大影響。當晶體管取代真空管成爲擴展的基本構件時，計算機革命才真正開始。
Ocelot 是我們的第一款采用 Cat 量子比特架構的芯片，也是對其作爲實現量子糾錯的基本構建塊的适用性的初步測試。Ocelot 的未來版本正在開發中，它将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 中使用的重複代碼）可以顯著減少所需的物理量子比特數。在我們即将發表的論文 " 用于可擴展、硬件高效量子糾錯的混合 cat-transmon 架構 " 中，我們發現與具有類似物理量子比特錯誤率的傳統表面代碼方法相比，擴展 Ocelot 可以将量子糾錯開銷減少高達 90%。
亞馬遜相信，Ocelot 的架構及其高效的硬件糾錯方法使我們能夠很好地應對量子計算的下一階段：學習如何擴展。使用高效的硬件方法将使我們能夠更快、更經濟高效地實現一台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台。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。"
