今天小編分享的科技經驗：又一科技巨頭發布量子芯片！糾錯成本暴降90%，登Nature，歡迎閱讀。
智東西（公眾号：zhidxcom）
編譯 | 徐豫編輯 | 雲鵬繼谷歌、IBM、英特爾、微軟等科技大廠之後，AWS 也有自研的量子計算芯片了。
智東西 2 月 28 日報道，AWS（亞馬遜雲科技）昨夜發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。
Ocelot 由加州理工學院 AWS 量子計算中心的團隊開發，現已在 AWS 的量子計算服務平台 Amazon Braket 上開放使用。其采用了一種全新的架構設計，從源頭内置了誤差糾正機制，并引入了 " 貓量子比特 "（cat qubit）技術。其中，" 貓量子比特 " 這一名稱取自經典的薛定谔貓思想實驗。該技術能夠從本質上抑制某些錯誤，以大幅減少實現量子誤差糾正所需的資源。
AWS 的研究人員首次将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模生產的微芯片上，即 Ocelot。與過去的方法相比，Ocelot 可将實現量子誤差糾正的成本降低不止 90%。這标志着 AWS 在構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階段，旨在測試 AWS 量子誤差糾正架構的有效性。
Ocelot 原型量子計算芯片的核心技術和元件如下：
1、芯片構成：它由兩枚集成矽微芯片構成，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、表面結構：每枚芯片表面覆蓋有構成量子電路元件的薄層超導材料；
3、核心組件：Ocelot 芯片由 14 個核心組件構成，包括 5 個數據量子比特（指貓量子比特）、5 個用于穩定數據量子比特的 " 緩衝電路 "（buffer circuits），以及 4 個用于檢測數據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态，其工作依賴于一種稱為振蕩器（oscillator）的組件，後者會產生具有穩定時序的重復電信号；
5、振蕩器材料：Ocelot 的振蕩器由一種名為钽（Tantalum）的超導材料薄膜制造，通過 AWS 自研技術處理後可大幅提升振蕩器性能。
其中，貓量子比特利用具有确定振幅和相位的類似經典狀态的量子疊加來編碼一個量子比特的信息。在 Peter Shor 于 1995 年發表其開創性論文後不久，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勢在于其天然對比特翻轉（bit-flip）錯誤具有保護作用。比特翻轉指的是一個比特的狀态從 0 錯誤地變為 1，或者從 1 錯誤地變為 0，這種錯誤通常由硬體故障、噪聲、幹擾或其他外部因素引起。通過增加振蕩器中的光子數量，可以使比特翻轉錯誤率呈指數級降低。
這意味着，與增加量子比特數量相比，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，許多開創性實驗體現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中的問題。而 AWS 的 Ocelot 完成了貓量子比特和可擴展架構的融合。
在 AWS 量子硬體主管 Oskar Painter 看來，量子計算機當前最大的問題不僅在于構建更多的量子比特，而在于讓它們能夠穩定可靠地工作。
量子計算機面臨的最大挑戰之一，是它們通常對環境中極微小的變化，又名 " 噪聲 "（noise）異常敏感。振動、熱量、來自手機和 WiFi 網絡的電磁幹擾，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态，從而引發計算錯誤。這也使得制造能夠執行大規模、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，量子計算機領網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境幹擾，同時還能在錯誤發生時進一步檢測和糾正。
不過，由于實現準确計算所需的量子比特數量巨大，現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 沒有采用現有架構後再試圖添加誤差糾正的方式，而是将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。Painter 相信，如果要生產出實用的量子計算機，量子誤差糾正必須放在首位。
此外，據 Painter 的團隊估計，将 Ocelot 量子計算芯片擴展為一台 " 能夠對社會產生變革性影響的成熟量子計算機 "，所需資源僅為标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、首次實現了用于玻色子糾錯（bosonic error correction）的可擴展架構，超越了傳統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）的量子态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方式；
2、首次實現了噪聲偏置門（noise-biased gate），這是解鎖構建具有硬體高效性且可擴展、具有商業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，使得噪聲主要表現為一種類型的錯誤（如相位翻轉），而不是随機的多種錯誤類型，從而讓偏置噪聲更容易被糾錯碼檢測和糾正；
3、實現了超導量子比特（superconducting qubit）的最先進性能，其比特翻轉（bit-flip）時間不到 1 秒，同時相位翻轉（phase-flip）時間約為 20 微秒。
日前，Ocelot 及其量子糾錯性能的測量結果，以及相關研究成果已在國際科學頂刊 Nature 上發表。
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，構建了一種可擴展且硬體高效的量子糾錯架構。這種方案有 3 大優勢：
1、在物理量子比特層面，比特翻轉錯誤得到了指數級抑制；
2、采用了重復碼（repetition code）來糾正相位翻轉錯誤，這也是最簡單的經典糾錯碼，其通過多次重復原始信息來實現糾錯；
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），實現了在保持貓量子比特對比特翻轉保護的同時，進行相位翻轉錯誤檢測。
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量。同時，也是在該論文中，AWS 團隊發現了與物理量子比特錯誤率相近的常規表面碼方法相比，Ocelot 的擴展有望将量子糾錯成本降低 9 成。
Painter 認為，随着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 架構構建的量子芯片，由于大幅減少了誤差糾正所需的資源，其成本可能僅為現有方法的五分之一。具體來說，AWS 相信這将使其開發出實用量子計算機的時間點，至多會提前 5 年。
AWS 方面透露将繼續投資于量子研究并不斷改進其方法，并正在開發新一代 Ocelot，将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級下降。Painter 說：" 我們才剛剛起步，未來還将經歷多個擴展階段。這是一個極其艱巨的挑戰，我們需要持續投入基礎研究，同時與學術界的重要成果保持聯系，并不斷學習。"
結語：量子計算領網域獨家技術湧現，材料和架構創新
AWS 和微軟都在本月公布了各自在量子計算領網域的最新成果，推動了實用量子計算技術的發展，例如加快藥物發現與開發、新材料的生產，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境噪聲極其敏感，現有的最佳量子硬體最多只能準确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，微軟則主攻材料。AWS 的 Ocelot 創新了貓量子比特的芯片級集成架構，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
