99精品在线观看-99精品在线免费观看-99精品在线视频观看-99精品这里只有精品高清视频-99九九精品国产高清自在线

Ocelot的三大技術(shù)突破

Ocelot在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了以下重大進(jìn)展：

1. 首次實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的玻色子糾錯(cuò)架構(gòu)：超越傳統(tǒng)量子比特（qubit）方法，大幅降低糾錯(cuò)所需的資源開(kāi)銷。

2. 首次實(shí)現(xiàn)噪聲偏置門（noise-biased gate）：這是構(gòu)建可擴(kuò)展、商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)所需的高效糾錯(cuò)技術(shù)的關(guān)鍵。

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

根據(jù)AWS的描述，Ocelot邏輯量子比特存儲(chǔ)芯片由一對(duì)硅微芯片組成（見(jiàn)附圖）。AWS認(rèn)為，將Ocelot擴(kuò)展為具備社會(huì)變革性影響的完整量子計(jì)算機(jī)所需的資源可能僅為傳統(tǒng)方法的十分之一，這一優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)實(shí)用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。

量子性能差距：從理論到實(shí)踐的挑戰(zhàn)

量子計(jì)算機(jī)承諾以遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度——甚至呈指數(shù)級(jí)更快——執(zhí)行某些計(jì)算。這意味著量子計(jì)算機(jī)能夠解決一些經(jīng)典計(jì)算永遠(yuǎn)無(wú)法企及的問(wèn)題。然而，實(shí)用量子計(jì)算需要復(fù)雜的量子算法，涉及數(shù)十億個(gè)量子門（量子計(jì)算機(jī)的基本操作）。但當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境噪聲極為敏感，最先進(jìn)的量子硬件目前只能在不出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下運(yùn)行約一千個(gè)量子門。要彌合這一性能差距，關(guān)鍵在于量子糾錯(cuò)技術(shù)。

量子糾錯(cuò)：通向可靠量子計(jì)算的關(guān)鍵

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

盡管近期實(shí)驗(yàn)顯示出令人振奮的進(jìn)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(cuò)誤率仍比已知實(shí)用量子算法和量子優(yōu)勢(shì)所需的目標(biāo)錯(cuò)誤率高出十億倍。

量子比特開(kāi)銷的挑戰(zhàn)

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

傳統(tǒng)量子糾錯(cuò)方法，如使用表面糾錯(cuò)碼（surface error-correcting code），目前需要數(shù)千個(gè)物理量子比特（如果我們真的非常努力地工作，也許在未來(lái)需要數(shù)百個(gè)）來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)邏輯量子比特所需的目標(biāo)錯(cuò)誤率。這意味著一臺(tái)商用的量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)物理量子比特——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前硬件的量子比特?cái)?shù)量。

這種高開(kāi)銷的一個(gè)根本原因是量子系統(tǒng)會(huì)遇到兩種錯(cuò)誤：位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤（bit-flip errors，經(jīng)典比特也存在）和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤（phase-flip errors，僅量子比特獨(dú)有）。相比之下，經(jīng)典比特只需糾正位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，而量子比特需要額外的冗余層來(lái)處理兩種錯(cuò)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(kāi)銷。相比之下，一個(gè)優(yōu)秀的經(jīng)典糾錯(cuò)碼只需不到30%的開(kāi)銷就能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算所需的錯(cuò)誤率，大約是傳統(tǒng)表面碼方法（假設(shè)物理量子比特錯(cuò)誤率為0.5%，與當(dāng)前硬件類似）的萬(wàn)分之一。

Cat量子比特：更高效的糾錯(cuò)方法

自然界中的量子系統(tǒng)可能比僅包含兩個(gè)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(jiǎn)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(lè)演奏計(jì)時(shí)的機(jī)械節(jié)拍器到雷達(dá)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(guò)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(wú)法同時(shí)完全確定，且幅度具有與每個(gè)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(chǎng)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(wèn)的振蕩器狀態(tài)（幅度）也越多。玻色子量子糾錯(cuò)依賴玻色子而非簡(jiǎn)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(hù)量子信息免受環(huán)境噪聲干擾，并實(shí)現(xiàn)更高效的糾錯(cuò)。

一種玻色子量子糾錯(cuò)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(shí)驗(yàn)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(lái)編碼一個(gè)量子比特的信息。在彼得·肖爾（Peter Shor）1995年關(guān)于量子糾錯(cuò)的開(kāi)創(chuàng)性論文發(fā)表幾年后，研究人員開(kāi)始悄然開(kāi)發(fā)基于貓態(tài)量子比特的替代糾錯(cuò)方法。

貓態(tài)量子比特的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其對(duì)位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的固有保護(hù)。增加振蕩器中的光子數(shù)量可以使位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率呈指數(shù)級(jí)下降。這意味著我們無(wú)需增加量子比特?cái)?shù)量，只需提高振蕩器的能量，使糾錯(cuò)效率大幅提高。

過(guò)去十年中，先鋒實(shí)驗(yàn)展示了貓態(tài)量子比特的潛力。然而，這些實(shí)驗(yàn)大多集中在單個(gè)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(kuò)展架構(gòu)中的問(wèn)題仍未解決。

Ocelot：展示玻色子量子糾錯(cuò)的可擴(kuò)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(cuò)性能的測(cè)量結(jié)果。Ocelot是邁向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的重要一步，利用芯片級(jí)集成貓態(tài)量子比特，形成一種可擴(kuò)展、高效的量子糾錯(cuò)架構(gòu)。在這一方法中：

- 位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤在物理量子比特層面被指數(shù)級(jí)抑制；

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

- 高度噪聲偏置的受控非門（C-NOT gates）在每個(gè)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(cuò)誤檢測(cè)，同時(shí)保留貓態(tài)量子比特對(duì)位翻轉(zhuǎn)的保護(hù)。

Ocelot邏輯量子比特存儲(chǔ)芯片（如上圖所示）由五個(gè)貓態(tài)數(shù)據(jù)量子比特組成，每個(gè)量子比特包含一個(gè)用于存儲(chǔ)量子數(shù)據(jù)的振蕩器。每個(gè)貓態(tài)量子比特的存儲(chǔ)振蕩器連接到兩個(gè)輔助超導(dǎo)量子比特，用于相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)，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(jí)抑制位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)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(cuò)誤率（相對(duì)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(cuò)誤檢測(cè)的C-NOT門的噪聲偏置。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，位翻轉(zhuǎn)時(shí)間可接近1秒，比傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特的壽命長(zhǎng)一千多倍。

關(guān)鍵的是，這只需貓態(tài)幅度達(dá)到四光子即可實(shí)現(xiàn)，我們還能保持相位翻轉(zhuǎn)時(shí)間在數(shù)十微秒，足以進(jìn)行量子糾錯(cuò)。之后，我們運(yùn)行一系列糾錯(cuò)周期，測(cè)試電路作為邏輯量子比特存儲(chǔ)的性能。為了表征重復(fù)碼的性能和架構(gòu)的可擴(kuò)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(zhǎng)度。

當(dāng)代碼糾錯(cuò)碼距從3（三個(gè)貓態(tài)量子比特）增加到5（五個(gè)貓態(tài)量子比特）時(shí)，邏輯相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)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(cuò)誤時(shí)，碼距-3糾錯(cuò)碼的總邏輯錯(cuò)誤率為每周期1.72%，碼距-5糾錯(cuò)碼為每周期1.65%。碼距-5糾錯(cuò)碼的總錯(cuò)誤率與較短的碼距-3糾錯(cuò)碼相當(dāng)（使用較少的貓態(tài)量子比特和位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤機(jī)會(huì)），得益于C-NOT門的大噪聲偏置及其在抑制位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)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(gè)數(shù)據(jù)量子比特和四個(gè)輔助量子比特，而表面碼設(shè)備需要49個(gè)量子比特）實(shí)現(xiàn)碼距-5糾錯(cuò)碼。

擴(kuò)展的重要性

從現(xiàn)代GPU中的數(shù)十億個(gè)晶體管到支持AI模型的超大規(guī)模GPU集群，有效擴(kuò)展能力是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。同樣，擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量以滿足量子糾錯(cuò)所需的開(kāi)銷，將是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化價(jià)值量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。

但計(jì)算歷史表明，擴(kuò)展正確的組件可能對(duì)成本、性能甚至可行性產(chǎn)生巨大影響。計(jì)算機(jī)革命真正起飛時(shí)，晶體管取代真空管成為基本構(gòu)建模塊，推動(dòng)了擴(kuò)展。

Ocelot是首款采用貓態(tài)量子比特架構(gòu)的芯片，也是測(cè)試其作為實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)基本構(gòu)建模塊適用性的初步嘗試。未來(lái)的Ocelot版本正在開(kāi)發(fā)中，將通過(guò)改進(jìn)組件性能和增加代碼距離，指數(shù)級(jí)降低邏輯錯(cuò)誤率。

針對(duì)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?cái)?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(kuò)展、高效量子糾錯(cuò)》中，AWS發(fā)現(xiàn)在物理量子比特錯(cuò)誤率相似的情況下，Ocelot可以將量子糾錯(cuò)開(kāi)銷比傳統(tǒng)表面碼方法減少高達(dá)90%。

AWS相信，Ocelot的架構(gòu)及其高效糾錯(cuò)方法，為我們解決量子計(jì)算的下一階段——學(xué)習(xí)如何擴(kuò)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(jì)地實(shí)現(xiàn)有益于社會(huì)的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

過(guò)去幾年，量子計(jì)算進(jìn)入了一個(gè)激動(dòng)人心的新時(shí)代，量子糾錯(cuò)已從黑板走向?qū)嶒?yàn)臺(tái)。