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Ocelot的三大技術(shù)突破

Ocelot在量子計算領(lǐng)域取得了以下重大進展：

1. 首次實現(xiàn)可擴展的玻色子糾錯架構(gòu)：超越傳統(tǒng)量子比特（qubit）方法，大幅降低糾錯所需的資源開銷。

2. 首次實現(xiàn)噪聲偏置門（noise-biased gate）：這是構(gòu)建可擴展、商業(yè)化量子計算機所需的高效糾錯技術(shù)的關(guān)鍵。

3. 超導(dǎo)量子比特性能達到業(yè)界領(lǐng)先水平：位翻轉(zhuǎn)時間（bit-flip time）接近1秒，同時相位翻轉(zhuǎn)時間（phase-flip time）達到20微秒。

根據(jù)AWS的描述，Ocelot邏輯量子比特存儲芯片由一對硅微芯片組成（見附圖）。AWS認(rèn)為，將Ocelot擴展為具備社會變革性影響的完整量子計算機所需的資源可能僅為傳統(tǒng)方法的十分之一，這一優(yōu)勢將推動實用量子計算的實現(xiàn)。

量子性能差距：從理論到實踐的挑戰(zhàn)

量子計算機承諾以遠超經(jīng)典計算機的速度——甚至呈指數(shù)級更快——執(zhí)行某些計算。這意味著量子計算機能夠解決一些經(jīng)典計算永遠無法企及的問題。然而，實用量子計算需要復(fù)雜的量子算法，涉及數(shù)十億個量子門（量子計算機的基本操作）。但當(dāng)前量子計算機對環(huán)境噪聲極為敏感，最先進的量子硬件目前只能在不出現(xiàn)錯誤的情況下運行約一千個量子門。要彌合這一性能差距，關(guān)鍵在于量子糾錯技術(shù)。

量子糾錯：通向可靠量子計算的關(guān)鍵

量子糾錯理論最早在20世紀(jì)90年代提出，通過將每個邏輯量子比特的信息分布在多個物理量子比特上，可以保護量子計算機中的信息免受外部噪聲干擾。不僅如此，錯誤還可以以類似經(jīng)典數(shù)字存儲和通信中糾錯方法的方式被檢測和糾正。

盡管近期實驗顯示出令人振奮的進展，但基于超導(dǎo)或原子量子比特的最佳邏輯量子比特，其錯誤率仍比已知實用量子算法和量子優(yōu)勢所需的目標(biāo)錯誤率高出十億倍。

量子比特開銷的挑戰(zhàn)

量子糾錯為彌合當(dāng)前錯誤率與實用量子計算所需錯誤率之間的巨大差距提供了路徑，但其代價是資源開銷的嚴(yán)重增加。降低邏輯量子比特的錯誤率需要增加每個邏輯量子比特的物理量子比特冗余。

傳統(tǒng)量子糾錯方法，如使用表面糾錯碼（surface error-correcting code），目前需要數(shù)千個物理量子比特（如果我們真的非常努力地工作，也許在未來需要數(shù)百個）來實現(xiàn)每個邏輯量子比特所需的目標(biāo)錯誤率。這意味著一臺商用的量子計算機將需要數(shù)百萬個物理量子比特——遠遠超過當(dāng)前硬件的量子比特數(shù)量。

這種高開銷的一個根本原因是量子系統(tǒng)會遇到兩種錯誤：位翻轉(zhuǎn)錯誤（bit-flip errors，經(jīng)典比特也存在）和相位翻轉(zhuǎn)錯誤（phase-flip errors，僅量子比特獨有）。相比之下，經(jīng)典比特只需糾正位翻轉(zhuǎn)錯誤，而量子比特需要額外的冗余層來處理兩種錯誤。這種微妙的復(fù)雜性導(dǎo)致了量子系統(tǒng)的巨大資源開銷。相比之下，一個優(yōu)秀的經(jīng)典糾錯碼只需不到30%的開銷就能實現(xiàn)量子計算所需的錯誤率，大約是傳統(tǒng)表面碼方法（假設(shè)物理量子比特錯誤率為0.5%，與當(dāng)前硬件類似）的萬分之一。

Cat量子比特：更高效的糾錯方法

自然界中的量子系統(tǒng)可能比僅包含兩個量子狀態(tài)（通常類比經(jīng)典數(shù)字比特的0和1）的量子比特更復(fù)雜。以簡單諧振子為例，它以明確頻率振蕩。諧振子種類繁多，從用于音樂演奏計時的機械節(jié)拍器到雷達和通信系統(tǒng)中使用的微波電磁振蕩器，都屬于這一類。

經(jīng)典情況下，振蕩器的狀態(tài)可以通過振蕩的幅度和相位表示。量子力學(xué)上情況類似，但幅度和相位無法同時完全確定，且幅度具有與每個能量量子相關(guān)聯(lián)的粒度。

這些能量量子被稱為玻色子，最廣為人知的例子是與電磁場相關(guān)的光子。我們向系統(tǒng)中注入越多能量，創(chuàng)建的玻色子（光子）越多，可訪問的振蕩器狀態(tài)（幅度）也越多。玻色子量子糾錯依賴玻色子而非簡單的雙狀態(tài)量子比特系統(tǒng)，利用這些額外的振蕩器狀態(tài)更有效地保護量子信息免受環(huán)境噪聲干擾，并實現(xiàn)更高效的糾錯。

一種玻色子量子糾錯類型使用貓態(tài)量子比特（cat qubits），得名于埃爾溫·薛定諤著名思想實驗中死/活的薛定諤貓。貓態(tài)量子比特利用經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加（具有明確幅度和相位的狀態(tài)）來編碼一個量子比特的信息。在彼得·肖爾（Peter Shor）1995年關(guān)于量子糾錯的開創(chuàng)性論文發(fā)表幾年后，研究人員開始悄然開發(fā)基于貓態(tài)量子比特的替代糾錯方法。

貓態(tài)量子比特的一個主要優(yōu)勢是其對位翻轉(zhuǎn)錯誤的固有保護。增加振蕩器中的光子數(shù)量可以使位翻轉(zhuǎn)錯誤率呈指數(shù)級下降。這意味著我們無需增加量子比特數(shù)量，只需提高振蕩器的能量，使糾錯效率大幅提高。

過去十年中，先鋒實驗展示了貓態(tài)量子比特的潛力。然而，這些實驗大多集中在單個貓態(tài)量子比特的演示上，關(guān)于貓態(tài)量子比特是否能集成到可擴展架構(gòu)中的問題仍未解決。

Ocelot：展示玻色子量子糾錯的可擴展性

今日在《自然》（Nature）雜志上，AWS公布了關(guān)于Ocelot及其量子糾錯性能的測量結(jié)果。Ocelot是邁向?qū)嵱昧孔佑嬎銠C的重要一步，利用芯片級集成貓態(tài)量子比特，形成一種可擴展、高效的量子糾錯架構(gòu)。在這一方法中：

- 位翻轉(zhuǎn)錯誤在物理量子比特層面被指數(shù)級抑制；

- 相位翻轉(zhuǎn)錯誤使用重復(fù)碼（repetition code，最簡單的經(jīng)典糾錯碼）糾正；

- 高度噪聲偏置的受控非門（C-NOT gates）在每個貓態(tài)量子比特與輔助超導(dǎo)量子比特（transmon qubits，超導(dǎo)量子電路中常用的常規(guī)量子比特）之間啟用相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測，同時保留貓態(tài)量子比特對位翻轉(zhuǎn)的保護。

Ocelot邏輯量子比特存儲芯片（如上圖所示）由五個貓態(tài)數(shù)據(jù)量子比特組成，每個量子比特包含一個用于存儲量子數(shù)據(jù)的振蕩器。每個貓態(tài)量子比特的存儲振蕩器連接到兩個輔助超導(dǎo)量子比特，用于相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測，并配有特殊的非線性緩沖電路，用于穩(wěn)定貓態(tài)量子比特狀態(tài)并指數(shù)級抑制位翻轉(zhuǎn)錯誤。

調(diào)整Ocelot設(shè)備涉及校準(zhǔn)貓態(tài)量子比特的位翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)錯誤率（相對于貓態(tài)幅度，即平均光子數(shù)），并優(yōu)化用于相位翻轉(zhuǎn)錯誤檢測的C-NOT門的噪聲偏置。我們的實驗結(jié)果顯示，位翻轉(zhuǎn)時間可接近1秒，比傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特的壽命長一千多倍。

關(guān)鍵的是，這只需貓態(tài)幅度達到四光子即可實現(xiàn)，我們還能保持相位翻轉(zhuǎn)時間在數(shù)十微秒，足以進行量子糾錯。之后，我們運行一系列糾錯周期，測試電路作為邏輯量子比特存儲的性能。為了表征重復(fù)碼的性能和架構(gòu)的可擴展性，我們研究了Ocelot貓態(tài)量子比特的子集，代表不同重復(fù)碼長度。

當(dāng)代碼糾錯碼距從3（三個貓態(tài)量子比特）增加到5（五個貓態(tài)量子比特）時，邏輯相位翻轉(zhuǎn)錯誤率顯著下降，適用于廣泛的貓態(tài)光子數(shù)量范圍，這表明重復(fù)碼的有效性。

當(dāng)包括位翻轉(zhuǎn)錯誤時，碼距-3糾錯碼的總邏輯錯誤率為每周期1.72%，碼距-5糾錯碼為每周期1.65%。碼距-5糾錯碼的總錯誤率與較短的碼距-3糾錯碼相當(dāng)（使用較少的貓態(tài)量子比特和位翻轉(zhuǎn)錯誤機會），得益于C-NOT門的大噪聲偏置及其在抑制位翻轉(zhuǎn)錯誤方面的有效性。這種噪聲偏置使Ocelot能夠使用少于傳統(tǒng)表面碼設(shè)備五分之一的量子比特（五個數(shù)據(jù)量子比特和四個輔助量子比特，而表面碼設(shè)備需要49個量子比特）實現(xiàn)碼距-5糾錯碼。

擴展的重要性

從現(xiàn)代GPU中的數(shù)十億個晶體管到支持AI模型的超大規(guī)模GPU集群，有效擴展能力是技術(shù)進步的關(guān)鍵驅(qū)動力。同樣，擴展量子比特數(shù)量以滿足量子糾錯所需的開銷，將是實現(xiàn)商業(yè)化價值量子計算機的關(guān)鍵。

但計算歷史表明，擴展正確的組件可能對成本、性能甚至可行性產(chǎn)生巨大影響。計算機革命真正起飛時，晶體管取代真空管成為基本構(gòu)建模塊，推動了擴展。

Ocelot是首款采用貓態(tài)量子比特架構(gòu)的芯片，也是測試其作為實現(xiàn)量子糾錯基本構(gòu)建模塊適用性的初步嘗試。未來的Ocelot版本正在開發(fā)中，將通過改進組件性能和增加代碼距離，指數(shù)級降低邏輯錯誤率。

針對偏置噪聲量身定制的碼，如Ocelot中使用的重復(fù)碼，可以顯著減少所需的物理量子比特數(shù)量。在AWS即將發(fā)表的論文《混合貓態(tài)-超導(dǎo)架構(gòu)用于可擴展、高效量子糾錯》中，AWS發(fā)現(xiàn)在物理量子比特錯誤率相似的情況下，Ocelot可以將量子糾錯開銷比傳統(tǒng)表面碼方法減少高達90%。

AWS相信，Ocelot的架構(gòu)及其高效糾錯方法，為我們解決量子計算的下一階段——學(xué)習(xí)如何擴展——提供了有利條件。采用硬件高效方法將使我們更快、更經(jīng)濟地實現(xiàn)有益于社會的糾錯量子計算機。

過去幾年，量子計算進入了一個激動人心的新時代，量子糾錯已從黑板走向?qū)嶒炁_。