繼谷歌、微軟之后，亞馬遜近日也發(fā)布了自家的第一代量子計(jì)算芯片 Ocelot，首次實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的玻色子糾錯(cuò)架構(gòu)，與目前的量子糾錯(cuò)方式相比成本可以降低超過(guò)90%。
亞馬遜表示，Ocelot 實(shí)現(xiàn)了以下重大技術(shù)進(jìn)步：
首次實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的玻色子糾錯(cuò)架構(gòu)，超越了傳統(tǒng)的量子比特方法，降低了糾錯(cuò)開(kāi)銷；首次實(shí)現(xiàn)噪聲偏置門——這是解鎖構(gòu)建可擴(kuò)展、商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)所必需的硬件高效糾錯(cuò)類型的關(guān)鍵；超導(dǎo)量子比特的先進(jìn)性能，位翻轉(zhuǎn)時(shí)間接近一秒，而相位翻轉(zhuǎn)時(shí)間為 20 微秒。
△組成 Ocelot 邏輯量子比特存儲(chǔ)芯片的一對(duì)硅微芯片
亞馬遜表示，“我們相信，將 Ocelot 擴(kuò)展為能夠產(chǎn)生變革性社會(huì)影響的成熟量子計(jì)算機(jī)，所需的資源僅為常見(jiàn)方法的十分之一，有助于更接近實(shí)用量子計(jì)算的時(shí)代。”
量子糾錯(cuò)：可靠量子計(jì)算的關(guān)鍵
量子計(jì)算機(jī)有望以比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的速度（甚至指數(shù)級(jí)）執(zhí)行某些計(jì)算。這意味著量子計(jì)算機(jī)可以解決一些傳統(tǒng)計(jì)算永遠(yuǎn)無(wú)法解決的問(wèn)題。
量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用將需要復(fù)雜的量子算法和數(shù)十億個(gè)量子門——這是量子計(jì)算機(jī)的基本操作。但目前的量子計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境噪聲極其敏感，這意味著當(dāng)今好的量子硬件也只能無(wú)錯(cuò)誤地運(yùn)行大約一千個(gè)門。我如何彌補(bǔ)這一差距？
量子糾錯(cuò)理論于 20 世紀(jì) 90 年代首次提出，它提供了一種解決方案。通過(guò)在多個(gè)物理量子位之間共享每個(gè)邏輯量子位中的信息，可以保護(hù)量子計(jì)算機(jī)中的信息免受外部噪聲的影響。不僅如此，還可以以類似于數(shù)字存儲(chǔ)和通信中使用的經(jīng)典糾錯(cuò)方法的方式檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤。
近的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示出有希望的進(jìn)展，但當(dāng)今基于超導(dǎo)或原子量子比特的佳邏輯量子比特的錯(cuò)誤率仍然比已知具有實(shí)用性和量子優(yōu)勢(shì)的量子算法所需的錯(cuò)誤率高出十億倍。
量子比特開(kāi)銷的挑戰(zhàn)
雖然量子糾錯(cuò)提供了一種途徑來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)今錯(cuò)誤率與實(shí)際量子計(jì)算所需錯(cuò)誤率之間的巨大差距，但它在資源開(kāi)銷方面也付出了沉重的代價(jià)。降低邏輯量子比特錯(cuò)誤率需要擴(kuò)大每個(gè)邏輯量子比特的物理量子比特?cái)?shù)量的冗余度。
傳統(tǒng)的量子糾錯(cuò)方法，例如使用表面糾錯(cuò)碼的方法，目前需要每個(gè)邏輯量子比特有數(shù)千個(gè)（如果我們非常非常努力的話，將來(lái)可能要有數(shù)百個(gè)）物理量子比特才能達(dá)到所需的錯(cuò)誤率。這意味著一臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)物理量子比特——比當(dāng)前硬件的量子比特?cái)?shù)量高出許多個(gè)數(shù)量級(jí)。
造成這種高開(kāi)銷的一個(gè)根本原因是量子系統(tǒng)會(huì)遇到兩種類型的錯(cuò)誤：位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤（也存在于經(jīng)典位中）和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤（量子位獨(dú)有）。經(jīng)典位只需要糾正位翻轉(zhuǎn)，而量子位則需要額外的冗余層來(lái)處理這兩種類型的錯(cuò)誤。
雖然很微妙，但這種增加的復(fù)雜性導(dǎo)致量子系統(tǒng)需要大量的資源開(kāi)銷。相比之下，一個(gè)好的經(jīng)典糾錯(cuò)碼可以實(shí)現(xiàn)我們期望的量子計(jì)算錯(cuò)誤率，而開(kāi)銷不到 30%，大約是傳統(tǒng)表面代碼方法開(kāi)銷的萬(wàn)分之一（假設(shè)比特錯(cuò)誤率為 0.5%，與當(dāng)前硬件中的量子比特錯(cuò)誤率相似）。
Cat量子比特：一種更有效的糾錯(cuò)方法
自然界中的量子系統(tǒng)可能比量子比特更復(fù)雜，量子比特僅由兩個(gè)量子態(tài)組成（通常標(biāo)記為0和1，類似于經(jīng)典數(shù)字比特）。以簡(jiǎn)單的諧振子為例，它以明確的頻率振蕩。諧振子有各種各樣的形狀和大小，從用于在播放音樂(lè)時(shí)保持時(shí)間的機(jī)械節(jié)拍器到用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)的微波電磁振蕩器。
經(jīng)典上，振蕩器的狀態(tài)可以用其振蕩的振幅和相位來(lái)表示。從量子力學(xué)的角度來(lái)看，情況類似，盡管振幅和相位永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)完美定義，并且與添加到系統(tǒng)中的每個(gè)能量量子相關(guān)的振幅都存在潛在的顆粒度。
這些能量量子就是所謂的玻色子粒子，其中著名的是光子，與電磁場(chǎng)有關(guān)。我們向系統(tǒng)中注入的能量越多，我們產(chǎn)生的玻色子（光子）就越多，我們可以訪問(wèn)的振蕩器狀態(tài)（振幅）就越多。玻色子量子誤差校正依賴于玻色子 而不是簡(jiǎn)單的雙態(tài)量子比特系統(tǒng)，它使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)境噪聲的影響，并進(jìn)行更高效的誤差校正。
一種玻色子量子糾錯(cuò)使用Cat量子比特，以埃爾溫·薛定諤著名思想實(shí)驗(yàn)中的死/活薛定諤貓命名。Cat量子比特使用具有明確振幅和相位的類經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加來(lái)編碼量子比特的信息。就在彼得·肖爾 1995 年發(fā)表關(guān)于量子糾錯(cuò)的開(kāi)創(chuàng)性論文幾年后，研究人員開(kāi)始悄悄開(kāi)發(fā)一種基于Cat量子比特的糾錯(cuò)替代方法。
Cat量子比特的主要優(yōu)勢(shì)在于其固有的防位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤保護(hù)。增加振蕩器中的光子數(shù)量可以使位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的發(fā)生率呈指數(shù)級(jí)下降。這意味著我們無(wú)需增加量子比特?cái)?shù)，只需增加振蕩器的能量，就可以使糾錯(cuò)效率大大提高。
過(guò)去十年，許多開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)都展示了Cat量子比特的潛力。然而，這些實(shí)驗(yàn)大多集中于單Cat量子比特演示，而Cat量子比特能否集成到可擴(kuò)展架構(gòu)中仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。
Ocelot：展示玻色子量子糾錯(cuò)的可擴(kuò)展性
今天，我們?cè)凇蹲匀弧冯s志上發(fā)表了對(duì) Ocelot 的測(cè)量結(jié)果及其量子糾錯(cuò)性能。Ocelot 代表著邁向?qū)嵱昧孔佑?jì)算機(jī)的重要一步，它利用Cat量子比特的芯片級(jí)集成來(lái)形成可擴(kuò)展、硬件高效的量子糾錯(cuò)架構(gòu)。在這種方法中，
位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤在物理量子位層面上被成倍地抑制；使用重復(fù)碼（簡(jiǎn)單的經(jīng)典糾錯(cuò)碼）來(lái)糾正相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤；并且每個(gè)Cat量子比特和輔助傳輸量子比特（超導(dǎo)量子電路中使用的常規(guī)量子比特）之間的高度噪聲偏置受控非（C-NOT）門能夠?qū)崿F(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)，同時(shí)保留Cat的位翻轉(zhuǎn)保護(hù)。
△Ocelot 芯片中實(shí)現(xiàn)的邏輯量子位的圖形演示：邏輯量子位由 cat 數(shù)據(jù)量子位、transmon 輔助量子位和緩沖模式的線性陣列組成。連接到每個(gè) cat 數(shù)據(jù)量子位的緩沖模式用于糾正位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，而 cat 數(shù)據(jù)量子位線性陣列上的重復(fù)代碼用于檢測(cè)和糾正相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。重復(fù)代碼在每對(duì)相鄰的 cat 數(shù)據(jù)量子位和共享的 transmon 輔助量子位之間使用噪聲偏置受控非門操作來(lái)標(biāo)記和定位 cat 數(shù)據(jù)量子位陣列內(nèi)的相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。在此圖中，已在中間的 cat 數(shù)據(jù)量子位上檢測(cè)到相位翻轉(zhuǎn)（或 Z）錯(cuò)誤。
Ocelot 邏輯量子比特存儲(chǔ)芯片（如上圖所示）由五個(gè) cat 數(shù)據(jù)量子比特組成，每個(gè)量子比特都包含一個(gè)用于存儲(chǔ)量子數(shù)據(jù)的振蕩器。每個(gè) cat 量子比特的存儲(chǔ)振蕩器都連接到兩個(gè)輔助 transmon 量子比特，用于相位翻轉(zhuǎn)誤差檢測(cè)，并與一個(gè)特殊的非線性緩沖電路配對(duì)，用于穩(wěn)定 cat 量子比特狀態(tài)并指數(shù)級(jí)抑制比特翻轉(zhuǎn)誤差。
調(diào)整 Ocelot 設(shè)備需要根據(jù) cat 振幅（平均光子數(shù)）校準(zhǔn) cat 量子比特的位和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率，并優(yōu)化用于相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)的 C-NOT 門的噪聲偏差。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們可以實(shí)現(xiàn)接近一秒的位翻轉(zhuǎn)時(shí)間，比傳統(tǒng)超導(dǎo)量子比特的壽命長(zhǎng)一千多倍。
至關(guān)重要的是，這可以通過(guò)小至四個(gè)光子的Cat振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)，使我們能夠保留數(shù)十微秒的相位翻轉(zhuǎn)時(shí)間，足以進(jìn)行量子糾錯(cuò)。從那里，我們運(yùn)行一系列糾錯(cuò)周期來(lái)測(cè)試電路作為邏輯量子位存儲(chǔ)器的性能。為了表征重復(fù)代碼的性能和架構(gòu)的可擴(kuò)展性，我們研究了 Ocelot Cat量子比特的子集，代表不同的重復(fù)代碼長(zhǎng)度。
當(dāng)代碼距離從distance-3 增加到distance-5（即從具有三個(gè)Cat量子比特的代碼到具有五個(gè)Cat量子比特的代碼）時(shí)，在很寬的Cat光子數(shù)范圍內(nèi)，邏輯相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率顯著下降，這表明了重復(fù)代碼的有效性。
當(dāng)包含位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤時(shí)，distance-3代碼的總邏輯錯(cuò)誤率測(cè)量為每周期 1.72%，distance-5代碼的總邏輯錯(cuò)誤率測(cè)量為每周期 1.65%。distance-5代碼的總錯(cuò)誤率與距離較短的distance-3 代碼的總錯(cuò)誤率相當(dāng)，distance-3代碼的 cat 量子比特較少，位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的可能性也較大，這可以歸因于 C-NOT 門的噪聲偏差較大，并且能夠有效抑制位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。正是這種噪聲偏差使得 Ocelot 能夠以不到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）實(shí)現(xiàn)distance-5代碼，而表面代碼設(shè)備則需要 49 個(gè)量子比特。
規(guī)模至關(guān)重要
從現(xiàn)代 GPU 中的數(shù)十億個(gè)晶體管到支持 AI 模型的大規(guī)模 GPU 集群，高效擴(kuò)展的能力是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。同樣，擴(kuò)展量子比特的數(shù)量以適應(yīng)量子糾錯(cuò)所需的開(kāi)銷將是實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。
但計(jì)算歷史表明，擴(kuò)展正確的組件可能會(huì)對(duì)成本、性能甚至可行性產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)晶體管取代真空管成為擴(kuò)展的基本構(gòu)件時(shí)，計(jì)算機(jī)革命才真正開(kāi)始。
Ocelot 是我們的第一款采用Cat量子比特架構(gòu)的芯片，也是對(duì)其作為實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的基本構(gòu)建塊的適用性的初步測(cè)試。Ocelot 的未來(lái)版本正在開(kāi)發(fā)中，它將通過(guò)組件性能的提高和代碼距離的增加來(lái)成倍地降低邏輯錯(cuò)誤率。
針對(duì)有偏噪聲定制的代碼（例如 Ocelot 中使用的重復(fù)代碼）可以顯著減少所需的物理量子比特?cái)?shù)。在我們即將發(fā)表的論文“用于可擴(kuò)展、硬件高效量子糾錯(cuò)的混合 cat-transmon 架構(gòu)”中，我們發(fā)現(xiàn)與具有類似物理量子比特錯(cuò)誤率的傳統(tǒng)表面代碼方法相比，擴(kuò)展 Ocelot 可以將量子糾錯(cuò)開(kāi)銷減少高達(dá) 90%。
亞馬遜相信，Ocelot 的架構(gòu)及其高效的硬件糾錯(cuò)方法使我們能夠很好地應(yīng)對(duì)量子計(jì)算的下一階段：學(xué)習(xí)如何擴(kuò)展。使用高效的硬件方法將使我們能夠更快、更經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)一臺(tái)造福社會(huì)的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。
亞馬遜表示：“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)已從黑箱走向測(cè)試臺(tái)。借助 Ocelot，我們才剛剛開(kāi)始走上容錯(cuò)量子計(jì)算的道路。對(duì)于有興趣加入我們這一旅程的人，我們正在招聘量子計(jì)算堆棧中的職位。”
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