智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 |? 徐豫
編輯 | ?云鵬
繼谷(gu)歌、IBM、英特爾(er)、微(wei)軟等科技大廠之后，AWS也有自研(yan)的量(liang)子計算芯片了(le)。
智東西2月28日報道(dao)，AWS（亞(ya)馬遜云科技）昨夜發(fa)布了其首款(kuan)量(liang)子計算(suan)芯片Ocelot，該芯片可降(jiang)低(di)超9成的(de)量(liang)子誤差糾正所需成本，有助(zhu)于做出更(geng)小、更(geng)可靠且成本更(geng)低(di)的(de)量(liang)子計算(suan)機，從(cong)而加速(su)實際(ji)量(liang)子計算(suan)應用的(de)開發(fa)。
Ocelot由加州理工學院 AWS 量子計算(suan)中心(xin)的(de)團(tuan)隊開發，現(xian)已在AWS的(de)量子計算(suan)服務(wu)平臺(tai)Amazon Braket上開放使(shi)用。其(qi)采用了(le)一(yi)種全新的(de)架構(gou)設計，從源頭內置了(le)誤(wu)差糾(jiu)(jiu)正機制(zhi)，并引入了(le)“貓量子比特”（cat qubit）技術。其(qi)中，“貓量子比特”這一(yi)名稱(cheng)取自(zi)經典的(de)薛定諤貓思想實驗。該技術能夠從本(ben)質上抑制(zhi)某些錯誤(wu)，以(yi)大幅(fu)減少(shao)實現(xian)量子誤(wu)差糾(jiu)(jiu)正所(suo)需的(de)資源。
AWS的研究人員首次將貓量(liang)(liang)子比特技(ji)術與(yu)(yu)其他量(liang)(liang)子誤差(cha)糾正組件，整合到一枚(mei)可利用(yong)微(wei)電子工藝大規模生產的微(wei)芯(xin)片上(shang)，即Ocelot。與(yu)(yu)過去的方(fang)法相比，Ocelot可將實現量(liang)(liang)子誤差(cha)糾正的成本降低(di)不止90%。這標(biao)志(zhi)著AWS在構建(jian)實用(yong)容(rong)錯量(liang)(liang)子計算機方(fang)面取得了一項重大突破。
Ocelot是一款原(yuan)型(xing)量子(zi)計算(suan)芯片，其中“原(yuan)型(xing)”是指該芯片處于測試(shi)和研發階段，旨在測試(shi)AWS量子(zi)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(xin)片構(gou)成(cheng)(cheng)：它(ta)由(you)兩枚(mei)集成(cheng)(cheng)硅微芯(xin)片構(gou)成(cheng)(cheng)，每枚(mei)芯(xin)片面積約1平方厘米(mi)，兩者通過電氣連(lian)接疊加成(cheng)(cheng)一塊(kuai)芯(xin)片堆(dui)；
2、表面結(jie)構(gou)：每(mei)枚(mei)芯片表面覆蓋有(you)構(gou)成(cheng)量子電(dian)路元件的(de)薄層超導材料；
3、核(he)心組(zu)件：Ocelot芯片由14個(ge)(ge)核(he)心組(zu)件構成，包(bao)括5個(ge)(ge)數據量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特（指貓量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特）、5個(ge)(ge)用于(yu)穩定數據量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特的“緩沖電路(lu)”（buffer circuits），以及4個(ge)(ge)用于(yu)檢測數據量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特錯(cuo)誤的額外(wai)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特；
4、貓(mao)(mao)量子比特(te)：貓(mao)(mao)量子比特(te)用于(yu)存儲計算中使用的(de)量子態(tai)，其工(gong)作依賴于(yu)一種稱為振蕩器（oscillator）的(de)組件，后(hou)者會產生具有穩定時(shi)序的(de)重(zhong)復電(dian)信號；
5、振(zhen)蕩(dang)器材(cai)料：Ocelot的振(zhen)蕩(dang)器由一種(zhong)名為鉭（Tantalum）的超導(dao)材(cai)料薄膜制造，通過AWS自研技術處(chu)理(li)后可大(da)幅提升振(zhen)蕩(dang)器性(xing)能。
其(qi)中，貓量(liang)子比(bi)特(te)利用具有確定振幅和相(xiang)位(wei)的(de)類似經典狀態的(de)量(liang)子疊加來編碼一個(ge)量(liang)子比(bi)特(te)的(de)信息。在Peter Shor于1995年(nian)發表其(qi)開創性論(lun)文后不久，有研究人員(yuan)便開始研究基于貓量(liang)子比(bi)特(te)的(de)替(ti)代糾錯方(fang)案(an)。
貓量子(zi)比(bi)(bi)特的(de)一大優勢在于其天然對比(bi)(bi)特翻轉(zhuan)（bit-flip）錯(cuo)誤具有保護作用。比(bi)(bi)特翻轉(zhuan)指的(de)是(shi)一個比(bi)(bi)特的(de)狀態從0錯(cuo)誤地(di)變為(wei)1，或者從1錯(cuo)誤地(di)變為(wei)0，這種錯(cuo)誤通(tong)常由硬件故(gu)障、噪聲、干擾或其他外(wai)部因素引起。通(tong)過增(zeng)加振蕩器中的(de)光子(zi)數(shu)量，可以使(shi)比(bi)(bi)特翻轉(zhuan)錯(cuo)誤率呈指數(shu)級降低。
這(zhe)意味著，與(yu)增(zeng)加量子比特數量相(xiang)比，研究人員可(ke)以簡單(dan)地增(zeng)加振(zhen)蕩器的能量，從而大(da)幅(fu)提升(sheng)糾錯效(xiao)率。
過去十年(nian)中(zhong)，許多(duo)開(kai)創(chuang)性實驗體現出貓(mao)量子比(bi)(bi)特(te)(te)的(de)潛力。然而，這些實驗大多(duo)集中(zhong)于單個(ge)貓(mao)量子比(bi)(bi)特(te)(te)的(de)演(yan)示，尚未解決貓(mao)量子比(bi)(bi)特(te)(te)能否集成(cheng)到可擴(kuo)展(zhan)架(jia)構中(zhong)的(de)問題。而AWS的(de)Ocelot完成(cheng)了貓(mao)量子比(bi)(bi)特(te)(te)和(he)可擴(kuo)展(zhan)架(jia)構的(de)融(rong)合。
在(zai)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(jin)在(zai)于構建更多的量子比特，而在(zai)于讓(rang)它們能(neng)夠穩定可靠(kao)地工作。
量(liang)子計算機(ji)面臨的(de)最大挑(tiao)戰之一，是它們(men)通常對環境(jing)中極微小的(de)變(bian)化，又名“噪聲”（noise）異常敏感。振動、熱量(liang)、來自手機(ji)和WiFi網絡的(de)電(dian)磁(ci)干擾(rao)，亦或是宇宙射線和來自外太空(kong)的(de)輻射，都可能使量(liang)子比特偏離其量(liang)子態(tai)，從而引發計算錯誤(wu)。這(zhe)也使得制(zhi)造能夠執(zhi)行(xing)大規模、可靠且無誤(wu)差計算的(de)量(liang)子計算機(ji)變(bian)得極為困(kun)難(nan)。
正(zheng)是為了解決(jue)這一問題，量(liang)子(zi)計算機領域(yu)衍(yan)生(sheng)出了量(liang)子(zi)誤差(cha)糾正(zheng)技術。該技術通(tong)過在多個量(liang)子(zi)比特(te)(te)之間采用特(te)(te)殊的(de)編(bian)碼方式，以“邏輯量(liang)子(zi)比特(te)(te)”（logical qubit）的(de)形(xing)式來保護量(liang)子(zi)信(xin)息免受環境干擾，同(tong)時(shi)還能(neng)在錯(cuo)誤發生(sheng)時(shi)進一步檢測(ce)和糾正(zheng)。
不過，由于實(shi)現準確計算所需(xu)的(de)量(liang)子比特數量(liang)巨大，現有的(de)量(liang)子誤差糾正方法成本極高(gao)。
Painter說道：“我們觀察(cha)了他人如何處理量(liang)子(zi)(zi)(zi)誤差(cha)(cha)糾(jiu)正(zheng)，并決定走一條不(bu)同(tong)的道路。”AWS沒(mei)有(you)采用現(xian)有(you)架(jia)構后(hou)再試圖添加誤差(cha)(cha)糾(jiu)正(zheng)的方式，而是(shi)將量(liang)子(zi)(zi)(zi)誤差(cha)(cha)糾(jiu)正(zheng)作為首(shou)要(yao)(yao)考慮條件，來選擇其(qi)量(liang)子(zi)(zi)(zi)比特和架(jia)構。Painter相信，如果要(yao)(yao)生產(chan)出實用的量(liang)子(zi)(zi)(zi)計算機(ji)，量(liang)子(zi)(zi)(zi)誤差(cha)(cha)糾(jiu)正(zheng)必須(xu)放在首(shou)位。
此外，據Painter的(de)團隊估計(ji)，將Ocelot量子計(ji)算芯片擴(kuo)展(zhan)為一臺“能夠對社會產生變(bian)革性影響(xiang)的(de)成(cheng)熟量子計(ji)算機(ji)”，所需資源僅為標(biao)準量子誤差糾正方(fang)法的(de)十分(fen)之一。這一成(cheng)本(ben)的(de)大幅降低，得(de)益于AWS的(de)多(duo)項(xiang)技術突破(po)。
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(shi)(shi)現了用于玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)糾錯（bosonic error correction）的可擴(kuo)展(zhan)架構(gou)，超越了傳統量子(zi)(zi)(zi)比特方案在(zai)降低糾錯開銷(xiao)方面的局限，玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)糾錯是一(yi)種利用玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)（如光子(zi)(zi)(zi)）的量子(zi)(zi)(zi)態進行(xing)量子(zi)(zi)(zi)信息編碼(ma)和糾錯的方法，貓量子(zi)(zi)(zi)比特正是玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)糾錯的一(yi)種重要(yao)實(shi)(shi)現方式；
2、首(shou)次實現(xian)了噪(zao)聲(sheng)偏置門（noise-biased gate），這是(shi)解鎖構建具有硬件高效性且可擴展、具有商業(ye)應(ying)用前景的(de)(de)量(liang)子計(ji)算(suan)機(ji)(ji)所必需的(de)(de)關鍵技(ji)術，其通過設計(ji)特殊的(de)(de)量(liang)子門操(cao)作，使(shi)得噪(zao)聲(sheng)主(zhu)要(yao)表現(xian)為一種(zhong)類型的(de)(de)錯(cuo)誤（如相位翻轉），而不是(shi)隨機(ji)(ji)的(de)(de)多(duo)種(zhong)錯(cuo)誤類型，從而讓偏置噪(zao)聲(sheng)更容(rong)易被糾錯(cuo)碼檢測(ce)和糾正；
3、實現了超(chao)導量子比(bi)特(te)（superconducting qubit）的最先進性能，其比(bi)特(te)翻轉(zhuan)（bit-flip）時(shi)間(jian)(jian)不到1秒(miao)，同時(shi)相位翻轉(zhuan)（phase-flip）時(shi)間(jian)(jian)約為20微秒(miao)。
日(ri)前，Ocelot及其量子(zi)糾錯(cuo)性能的測量結果(guo)，以(yi)及相關研究成果(guo)已(yi)在國際科學頂刊Nature上(shang)發表。
論(lun)文地址：//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件高效的量子糾錯架構。這種方案有3大優勢：
1、在物(wu)理量子比特層面，比特翻轉(zhuan)錯誤得(de)到了指(zhi)數級抑制；
2、采用(yong)了重(zhong)復碼(ma)（repetition code）來(lai)(lai)糾正相位翻轉(zhuan)錯誤(wu)，這也是最簡(jian)單的經典糾錯碼(ma)，其通過多次重(zhong)復原始信息(xi)來(lai)(lai)實現糾錯；
3、其(qi)通過在(zai)(zai)每個貓(mao)量子比(bi)特(te)與(yu)輔助(zhu)跨諧振蕩（transmon）量子比(bi)特(te)之間實現高度噪聲偏置的受控非(fei)門（noise-biased controlled-NOT gates，其(qi)中controlled-NOT簡稱C-NOT），實現了在(zai)(zai)保(bao)持貓(mao)量子比(bi)特(te)對比(bi)特(te)翻(fan)轉(zhuan)保(bao)護的同時，進行相位翻(fan)轉(zhuan)錯誤檢(jian)測(ce)。
針對(dui)噪聲偏(pian)置的(de)專用碼(ma)(ma)(ma)，如Ocelot中(zhong)使(shi)用的(de)重復碼(ma)(ma)(ma)，能夠(gou)顯著減少所需物理量子比特的(de)數量。同時(shi)，也是在該論文(wen)中(zhong)，AWS團隊發(fa)現了與物理量子比特錯誤率相近(jin)的(de)常規(gui)表面(mian)碼(ma)(ma)(ma)方法(fa)相比，Ocelot的(de)擴(kuo)展(zhan)有(you)望將量子糾錯成(cheng)本降低9成(cheng)。
Painter認為，隨(sui)著(zhu)量子研究的(de)(de)最新進(jin)展，實際可(ke)用的(de)(de)容錯量子計算機(ji)何時(shi)能應(ying)用于現實世界，已不再是“是否”的(de)(de)問(wen)題，而是“何時(shi)”的(de)(de)問(wen)題，Ocelot則是這一進(jin)程(cheng)中的(de)(de)重要一步。
他解(jie)釋道(dao)，未來，基(ji)于(yu)Ocelot架構構建的量子芯(xin)片，由于(yu)大幅減少了誤差(cha)糾正所需的資源，其(qi)成本(ben)可能僅(jin)為現有方法(fa)的五(wu)分(fen)之(zhi)一。具體(ti)來說(shuo)，AWS相信這將使其(qi)開(kai)發出(chu)實用量子計算機的時間點，至多會提前5年(nian)。
AWS方面透(tou)露將繼續投(tou)資(zi)于量子研究并(bing)不斷改進其方法(fa)，并(bing)正在(zai)開(kai)發(fa)新(xin)一代Ocelot，將借(jie)助組件性能提(ti)升和重復碼距離的(de)增加，來使邏輯錯(cuo)誤率按(an)預期(qi)指數級下降。Painter說(shuo)：“我們才剛剛起步，未來還將經歷(li)多個(ge)擴展(zhan)階(jie)段。這是一個(ge)極(ji)其艱巨(ju)的(de)挑(tiao)戰，我們需要持(chi)續投(tou)入基礎研究，同(tong)時與學術界的(de)重要成果保持(chi)聯系(xi)，并(bing)不斷學習。”
結語：量子計算領域獨家技術涌現，材料和架構創新
AWS和微軟都在本月公布了(le)各自(zi)在量子計算領域的(de)最新成(cheng)果，推動了(le)實用量子計算技術的(de)發展(zhan)，例如加快藥物發現與(yu)開發、新材料的(de)生(sheng)產，以(yi)及在金(jin)融市場上更精準地預測風險和制定投資策(ce)略等(deng)。
落(luo)地量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)的(de)實際應(ying)用需要依賴擁有(you)數十億個量(liang)子(zi)(zi)門(men)（量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)的(de)基本運(yun)算(suan)(suan)單元）的(de)復雜量(liang)子(zi)(zi)算(suan)(suan)法。而目前的(de)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)(suan)機(ji)(ji)對環境(jing)噪聲(sheng)極其敏感，現有(you)的(de)最佳(jia)量(liang)子(zi)(zi)硬件最多只能準(zhun)確運(yun)行約一千(qian)個量(liang)子(zi)(zi)門(men)。
對(dui)此(ci)，兩家(jia)此(ci)輪采取的(de)(de)技(ji)術路線各有千秋，AWS主攻(gong)架(jia)構，微(wei)(wei)軟(ruan)則主攻(gong)材(cai)料。AWS的(de)(de)Ocelot創新了貓量(liang)子(zi)比特的(de)(de)芯(xin)片級集成架(jia)構，以降低(di)量(liang)子(zi)計算(suan)機的(de)(de)錯誤率；而微(wei)(wei)軟(ruan)的(de)(de)Majorana 1通過應用“拓撲導體”（topoconductor）這(zhe)(zhe)種(zhong)全新材(cai)料來解決這(zhe)(zhe)一痛點(dian)。
來源(yuan)：AWS、Nature
