亚马逊推出革命性量子芯片Ocelot：量子纠错成本大幅降低90%

震撼！亚马逊Ocelot量子芯片：纠错成本暴跌90%，引领量子计算新时代

　　 继谷歌、亚马逊近日发布了自己的第一代量子计算芯片Ocelot，首次实现了可扩展的玻色子纠错架构。这标志着在降低成本方面取得了重大突破，与目前的量子纠错方式相比，成本降低了超过90%。这一进展不仅展示了亚马逊在量子计算领域的技术实力，也为该领域的发展开辟了新的道路。通过大幅减少成本，更多的研究机构和企业将能够负担得起量子计算技术的研发和应用，从而加速整个行业的进步。

　　 亚马逊表示，Ocelot 实现了以下重大技术进步：

　　 首次实现了可扩展的玻色子纠错方案，超越了传统的量子比特方法，减少了纠错所需的资源；首次实现噪声偏置门——这是构建可扩展且商业可行的量子计算机所必需的一种关键硬件高效纠错技术；超导量子比特表现出色，位翻转时间接近一秒，而相位翻转时间为20微秒。

　　 △组成 Ocelot 逻辑量子比特存储芯片的一对硅微芯片

　　 亚马逊表示，我们坚信，通过将Ocelot发展成为具备强大功能的量子计算机，所需求的资源仅是传统方法的十分之一，这将极大地推动我们实现具有实际应用价值的量子计算时代。

　　 量子纠错：可靠量子计算的关键

　　 量子计算机在处理特定任务时展现出超越传统计算机的潜力，其速度甚至能达到指数级的提升。这表明，量子计算机有能力攻克那些对经典计算机构成巨大挑战乃至无法逾越的难题。 这种技术进步不仅预示着计算能力的一次革命性飞跃，也意味着人类在解决复杂问题上迈出了重要一步。从药物研发到气候模拟，量子计算机的应用前景广阔，可能为科学研究带来前所未有的突破。然而，随之而来的还有关于数据安全与隐私保护的新挑战，如何在享受科技进步带来的便利的同时，确保信息安全，将是未来社会需要共同面对的重要议题。

　　 量子计算的实际应用需要复杂的量子算法和数十亿个量子门——这是量子计算机的基本操作单元。然而，当前的量子计算机对环境噪声非常敏感，导致现今最优秀的量子设备也只能在没有错误的情况下运行大约一千个量子门。因此，如何解决这一问题成为了关键。

　　 量子纠错技术在20世纪90年代首次被提出，它提供了一种有效的解决方案。通过在多个物理量子比特间分配每个逻辑量子比特的信息，可以保护量子计算机中的数据免受外部噪声干扰。此外，还能够采用类似数字存储和通信中使用经典纠错方法来检测和纠正错误。

　　 最近的实验已经展现出令人鼓舞的进展，但目前基于超导或原子量子比特的最佳逻辑量子比特的错误率依旧比实现实用性和量子优势所需的错误率高出十亿倍。

　　 量子比特开销的挑战

　　 尽管量子纠错为缩小当前错误率与实际量子计算所需的低错误率之间的巨大差距提供了方法，但这在资源消耗上也带来了巨大的负担。减少逻辑量子比特的错误率需要增加构成每个逻辑量子比特的物理量子比特的数量以提高冗余度。

　　 传统的量子纠错方法，比如采用表面码的技术，目前至少需要每个逻辑量子比特对应数千个物理量子比特才能实现所需的错误率。若要将这一数字降至数百，我们还需要付出极大的努力。这也就意味着，一台商用量子计算机可能需要数百万个物理量子比特——远远超出当前硬件的能力范围。 这种需求量的巨大差距反映了量子计算领域面临的重大挑战。尽管科学家们已经在量子纠错方面取得了显著进展，但要使量子计算机真正实用化，仍需克服巨大的技术障碍。如何在减少所需物理量子比特数量的同时提高其稳定性和可靠性，依然是科研人员亟待解决的关键问题。

　　 造成这种高开销的一个根本原因是量子系统会遇到两种类型的错误：位翻转错误（也存在于经典位中）和相位翻转错误（量子位独有）。经典位只需要纠正位翻转，而量子位则需要额外的冗余层来处理这两种类型的错误。

　　 虽然很微妙，然而，这种复杂性的提升使得量子系统需要大量的资源开销。相比之下，一个优秀的经典纠错码能够达到我们所期望的量子计算错误率，且开销不超过30%，这大约只是传统表面编码方法开销的万分之一（假设比特错误率为0.5%，与现有硬件中的量子比特错误率相当）。

　　 Cat量子比特：一种更有效的纠错方法

　　 自然界中的量子系统可能比量子比特更复杂，量子比特仅由两个量子态组成（通常标记为0和1，类似于经典数字比特）。以简单的谐振子为例，它以明确的频率振荡。谐振子有各种各样的形状和大小，从用于在播放音乐时保持时间的机械节拍器到用于雷达和通信系统的微波电磁振荡器。

　　 经典上，振荡器的状态可以用其振荡的振幅和相位来表示。从量子力学的角度来看，情况类似，尽管振幅和相位永远不会同时完美定义，并且与添加到系统中的每个能量量子相关的振幅都存在潜在的颗粒度。

　　 这些能量量子就是所谓的玻色子粒子，其中最著名的是光子，与电磁场有关。我们向系统中注入的能量越多，我们产生的玻色子（光子）就越多，我们可以访问的振荡器状态（振幅）就越多。玻色子量子误差校正依赖于玻色子 而不是简单的双态量子比特系统，它使用这些额外的振荡器状态更有效地保护量子信息免受环境噪声的影响，并进行更高效的误差校正。

　　 一种以埃尔温·薛定谔著名的“薛定谔的猫”思想实验为灵感的玻色子量子纠错技术，采用了Cat量子比特进行信息编码。这种Cat量子比特利用了具有明确振幅和相位的类经典状态的量子叠加。紧随彼得·肖尔于1995年发表其关于量子纠错的开创性研究之后，科研人员开始秘密探索一种基于Cat量子比特的纠错新方法。

　　 Cat量子比特的主要优势在于其天然的抗位翻转错误能力。通过在振荡器中增加光子的数量，可以实现位翻转错误率的指数级降低。这意味着我们不需要增加额外的量子比特，只需要提升振荡器的能量，就能显著提高纠错效率。

　　 过去十年，众多前沿实验已经证明了Cat量子比特的巨大潜力。然而，这些实验主要集中在单一Cat量子比特的展示上，Cat量子比特是否能够融入可扩展的系统结构依然有待探索。

　　 Ocelot：展示玻色子量子纠错的可扩展性

　　 今天，我们在《自然》杂志上发表了对 Ocelot 的测量结果及其量子纠错性能。Ocelot 代表着迈向实用量子计算机的重要一步，它利用Cat量子比特的芯片级集成来形成可扩展、硬件高效的量子纠错架构。在这种方法中，

　　 位翻转错误在物理量子位层面上被成倍地抑制；使用重复码（最简单的经典纠错码）来纠正相位翻转错误；并且每个Cat量子比特和辅助传输量子比特（超导量子电路中使用的常规量子比特）之间的高度噪声偏置受控非（C-NOT）门能够实现相位翻转错误检测，同时保留Cat的位翻转保护。

　　 在△Ocelot芯片中实现的逻辑量子位通过一种创新的方式进行布局，逻辑量子位由cat数据量子位、transmon辅助量子位以及一系列缓冲模式构成。这些组件以线性阵列的形式排列，其中缓冲模式与每个cat数据量子位相连，其主要作用是纠正位翻转错误。同时，cat数据量子位线性阵列上的重复编码机制则负责检测并纠正相位翻转错误。这种设计巧妙地利用了噪声偏置受控非门操作，在每对相邻的cat数据量子位与共享的transmon辅助量子位之间标记和定位相位翻转错误。值得注意的是，最近的一次实验显示，已经在中间的cat数据量子位上成功检测到了相位翻转（或Z）错误。 这种架构不仅展示了量子纠错技术的进步，也为我们提供了更深入理解量子系统如何在实际应用中运作的机会。通过这种方式，我们不仅能更好地识别和修正量子计算中的常见错误，还能进一步优化量子比特的设计，使其更加稳定可靠。这无疑为未来量子计算机的发展奠定了坚实的基础，并可能加速我们在量子信息处理领域的突破。

　　 Ocelot逻辑量子比特存储芯片由五个cat数据量子比特构成，每个量子比特都配备了一个用于存储量子信息的振荡器。每个cat量子比特的存储振荡器都连接着两个辅助transmon量子比特，这些辅助量子比特负责进行相位翻转误差检测。此外，每个cat量子比特还与一个特殊的非线性缓冲电路配对，这种设计能够显著提高cat量子比特状态的稳定性，并有效抑制比特翻转错误。 这样的设计展示了量子计算领域在提升量子比特稳定性和降低错误率方面的重大进步。特别是在当前量子计算技术面临诸多挑战的情况下，Ocelot芯片的创新为量子信息处理提供了一条新的路径。通过结合多个技术手段来对抗不同类型的量子比特错误，该芯片无疑为未来量子计算机的发展树立了一个新标杆。

　　 调整Ocelot设备时，需要依据cat振幅（平均光子数）来校准cat量子比特的位翻转和相位翻转错误率，并优化用于相位翻转错误检测的C-NOT门的噪声偏差。我们的实验结果显示，可以实现接近一秒的位翻转时间，这比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。

　　 关键在于，这种操作可以利用最少四个光子的猫态振幅来完成，从而使我们能够维持数十微秒的相位翻转时间，足够用于量子纠错。随后，我们执行了一系列纠错周期，以检验该电路作为逻辑量子位存储器的性能。为了评估重复码的性能及架构的可扩展性，我们研究了OcelotCat量子比特的不同子集，这些子集代表了不同的重复码长度。

　　 当代码距离从distance-3 增加到distance-5（即从具有三个Cat量子比特的代码到具有五个Cat量子比特的代码）时，在很宽的Cat光子数范围内，逻辑相位翻转错误率显著下降，这表明了重复代码的有效性。

　　 当包含位翻转错误时，distance-3代码的总逻辑错误率测量为每周期1.72%，而distance-5代码的总逻辑错误率为每周期1.65%。值得注意的是，尽管distance-5代码具有更高的纠错能力，其总错误率却与distance-3代码相当接近。这表明，尽管distance-3代码使用较少的cat量子比特，但位翻转错误率较高，这可能是由于C-NOT门的噪声偏差较大。这种偏差使得Ocelot系统能够以更少的量子比特（五个数据量子比特和四个辅助量子比特）实现distance-5代码，相比之下，传统的表面代码设备则需要49个量子比特。 这一发现突显了在量子计算领域内，通过优化特定类型的量子门来减少错误率的重要性。它不仅展示了更高效利用量子比特资源的可能性，还暗示着未来量子计算机的设计可能会更加注重对特定噪声源的针对性优化。此外，这也强调了在开发量子纠错码时，考虑实际应用中的噪声特性以及如何有效地将其纳入设计考量中的重要性。

　　 规模至关重要

　　 从当代GPU中的数十亿个晶体管到支撑AI模型的巨大GPU集群，高效的扩展能力是推动技术革新的关键因素。同样，增加量子比特的数量以应对量子纠错带来的额外需求，将是打造具备商业应用价值的量子计算机的重要环节。

　　 但是计算历史证明，选择并扩展合适的组件对成本、性能乃至项目的可行性具有重大影响。只有当晶体管取代真空管成为基本构建单元时，计算机革命才真正拉开序幕。

　　 我们的首款采用Cat量子比特架构的芯片名为Ocelot，这是对我们实现量子纠错基本构建模块的一次初步检验。Ocelot的后续版本目前正处于研发阶段，预计将在提升组件性能和增加编码距离的基础上，显著减少逻辑错误率。

　　 针对有偏噪声优化的代码（例如Ocelot中采用的重复代码）能够显著降低所需的物理量子比特数量。据我们即将发布的论文《混合猫-Transmon架构用于可扩展且硬件高效的量子纠错》所述，与使用类似物理量子比特错误率的传统表面码方法相比，采用改进版Ocelot可以将量子纠错的资源需求减少多达90%。

　　 亚马逊相信，Ocelot的架构及其高效的硬件纠错技术让我们看到了在量子计算领域迈入新阶段的希望。这一进步不仅使我们能够更好地处理复杂的量子信息，还意味着我们可以朝着更大规模的量子计算机迈进。利用这种高效的硬件纠错方法，我们将能够以更快的速度和更低的成本实现对社会有益的量子计算机。 这样的发展无疑是一个重要的里程碑，它不仅展示了量子计算技术的快速进步，也预示着未来量子计算可能带来的革命性变化。随着技术的不断成熟，我们有理由相信，在不久的将来，量子计算机将在材料科学、药物研发、优化问题等多个领域发挥重要作用，从而推动整个社会的进步。

　　 亚马逊表示：近年来，量子计算领域迎来了一个充满激情与创新的时代，量子纠错技术也从理论阶段迈向了实验验证。借助Ocelot平台，我们才刚刚踏上实现容错量子计算的征程。对于那些渴望加入这场科技探索之旅的朋友，我们正热忱邀请您加入量子计算团队，共同填补量子计算堆栈中的关键职位。