继谷歌、微软之后开云官网切尔西赞助商，亚马逊近日也发布了自家的第一代量子计较芯片 Ocelot，初次收场了可扩展的玻色子纠错架构，与咫尺的量子纠错表情比拟资本不错缩小超越 90%。

亚马逊暗示，Ocelot 收场了以下重要时刻跳动：

初次收场了可扩展的玻色子纠错架构，超越了传统的量子比特方法，缩小了纠错支拨；初次收场噪声偏置门——这是解锁构建可扩展、交易上可行的量子计较机所必需的硬件高效纠错类型的关键；超导量子比特的先进性能，位翻转时期接近一秒，而相位翻转时期为 20 微秒。

△构成 Ocelot 逻辑量子比特存储芯片的一双硅微芯片

亚马逊暗示，"咱们肯定，将 Ocelot 扩展为好像产生变革性社会影响的熟练量子计较机，所需的资源仅为常见方法的十分之一，有助于更接近实用量子计较的期间。"

量子纠错：可靠量子计较的关键

量子计较机有望以比传统计较机更快的速率（甚而指数级）扩张某些计较。这意味着量子计较机不错责罚一些传统计较耐久无法责罚的问题。

量子计较的骨子应用将需要复杂的量子算法和数十亿个量子门——这是量子计较机的基本操作。但咫尺的量子计较机对环境噪声极其敏锐，这意味着咫尺最好的量子硬件也只可无特别地运行大要一千个门。我怎么弥补这一差距？

量子纠错表面于 20 世纪 90 年代初次建议，它提供了一种责罚决策。通过在多个物理量子位之间分享每个逻辑量子位中的信息，不错保护量子计较机中的信息免受外部噪声的影响。不仅如斯，还不错以近似于数字存储和通讯中使用的经典纠错方法的表情检测和更动特别。

最近的推行如故泄露出有但愿的发扬，但咫尺基于超导或原子量子比特的最好逻辑量子比特的特别率仍然比已知具有实用性和量子上风的量子算法所需的特别率高出十亿倍。

量子比特支拨的挑战

天然量子纠错提供了一种路线来弥补咫尺特别率与骨子量子计较所需特别率之间的纷乱差距，但它在资源支拨方面也付出了千里重的代价。缩小逻辑量子比特特别率需要扩大每个逻辑量子比特的物理量子比特数目的冗余度。

传统的量子纠错方法，举例使用名义纠错码的方法，咫尺需要每个逻辑量子比特稀有千个（要是咱们至极至极悉力的话，将来可能要稀有百个）物理量子比特才能达到所需的特别率。这意味着一台商用量子计较机将需要数百万个物理量子比特——比面前硬件的量子比特数目高出好多个数目级。

变成这种高支拨的一个根底原因是量子系统会遭遇两种类型的特别：位翻转特别（也存在于经典位中）和相位翻转特别（量子位零散）。经典位只需要更动位翻转，而量子位则需要额外的冗余层来处理这两种类型的特别。

天然很微妙，但这种加多的复杂性导致量子系统需要大皆的资源支拨。比拟之下，一个好的经典纠错码不错收场咱们生机的量子计较特别率，而支拨不到 30%，大要是传统名义代码方法支拨的万分之一（假定比特特别率为 0.5%，与面前硬件中的量子比特特别率相似）。

Cat 量子比特：一种更灵验的纠错方法

天然界中的量子系统可能比量子比特更复杂，量子比特仅由两个量子态构成（经常标志为 0 和 1，近似于经典数字比特）。以简便的谐振子为例，它以明确的频率震动。谐振子有多样种种的款式和大小，从用于在播放音乐时保捏时期的机械节奏器到用于雷达和通讯系统的微波电磁震动器。

经典上，震动器的现象不错用其震动的振幅和相位来暗示。从量子力学的角度来看，情况近似，尽管振幅和相位耐久不会同期完好界说，何况与添加到系统中的每个能量量子关联的振幅皆存在潜在的颗粒度。

这些能量量子即是所谓的玻色子粒子，其中最着名的是光子，与电磁场相关。咱们向系统中注入的能量越多，咱们产生的玻色子（光子）就越多，咱们不错拜谒的震动器现象（振幅）就越多。玻色子量子时弊校正依赖于玻色子 而不是简便的双态量子比特系统，它使用这些额外的震动器现象更灵验地保护量子信息免受环境噪声的影响，并进行更高效的时弊校正。

一种玻色子量子纠错使用 Cat 量子比特，以埃尔温 · 薛定谔着名念念想推行中的死 / 活薛定谔猫定名。Cat 量子比特使器用有明确振幅和相位的类经典现象的量子叠加来编码量子比特的信息。就在彼得 · 肖尔 1995 年发表对于量子纠错的首创性论文几年后，沟通东说念主员运转偷偷开导一种基于 Cat 量子比特的纠错替代方法。

Cat 量子比特的主要上风在于其固有的防位翻转特别保护。加多震动器中的光子数目不错使位翻转特别的发生率呈指数级下落。这意味着咱们无需加多量子比特数，只需加多震动器的能量，就不错使纠错效果大大擢升。

以前十年，好多首创性的推行皆展示了 Cat 量子比特的后劲。但是，这些推行大多吞并于单 Cat 量子比特演示，而 Cat 量子比特能否集成到可扩展架构中仍是一个悬而未决的问题。

Ocelot：展示玻色子量子纠错的可扩展性

今天，咱们在《天然》杂志上发表了对 Ocelot 的测量为止极度量子纠错性能。Ocelot 代表着迈向实用量子计较机的要紧一步，它应用 Cat 量子比特的芯片级集成来形成可扩展、硬件高效的量子纠错架构。在这种方法中，

位翻转特别在物理量子位层面上被成倍地扼制；使用疏通码（最简便的经典纠错码）来更动相位翻转特别；何况每个 Cat 量子比特和援手传输量子比特（超导量子电路中使用的老例量子比特）之间的高度噪声偏置受控非（C-NOT）门好像收场相位翻转特别检测，同期保留 Cat 的位翻转保护。

△ Ocelot 芯片中收场的逻辑量子位的图形演示：逻辑量子位由 cat 数据量子位、transmon 援手量子位慈悲冲模式的线性阵列构成。连气儿到每个 cat 数据量子位的缓冲模式用于更动位翻转特别，而 cat 数据量子位线性阵列上的疏通代码用于检测和更动相位翻转特别。疏通代码在每对相邻的 cat 数据量子位和分享的 transmon 援手量子位之间使用噪声偏置受控非门操作来标志和定位 cat 数据量子位阵列内的相位翻转特别。在此图中，已在中间的 cat 数据量子位上检测到相位翻转（或 Z）特别。

Ocelot 逻辑量子比特存储芯片（如上图所示）由五个 cat 数据量子比特构成，每个量子比特皆包含一个用于存储量子数据的震动器。每个 cat 量子比特的存储震动器皆连气儿到两个援手 transmon 量子比特，用于相位翻转时弊检测，并与一个特殊的非线性缓冲电路配对，用于融会 cat 量子比特现象并指数级扼制比特翻转时弊。

诊治 Ocelot 建筑需要凭证 cat 振幅（平均光子数）校准 cat 量子比特的位和相位翻转特别率，并优化用于相位翻转特别检测的 C-NOT 门的噪声偏差。咱们的推行为止标明，咱们不错收场接近一秒的位翻转时期，比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。

至关要紧的是，这不错通过小至四个光子的 Cat 振幅来收场，使咱们好像保留数十微秒的相位翻转时期，足以进行量子纠错。从那边，咱们运行一系列纠错周期来测试电路四肢逻辑量子位存储器的性能。为了表征疏通代码的性能和架构的可扩展性，咱们沟通了 Ocelot Cat 量子比特的子集，代表不同的疏通代码长度。

现代码距离从 distance-3 加多到 distance-5（即从具有三个 Cat 量子比特的代码到具有五个 Cat 量子比特的代码）时，在很宽的 Cat 光子数界限内，逻辑相位翻转特别率权臣下落，这标明了疏通代码的灵验性。

当包含位翻转特别时，distance-3 代码的总逻辑特别率测量为每周期 1.72%，distance-5 代码的总逻辑特别率测量为每周期 1.65%。distance-5 代码的总特别率与距离较短的 distance-3 代码的总特别率相当，distance-3 代码的 cat 量子比特较少，位翻转特别的可能性也较大，这不错归因于 C-NOT 门的噪声偏差较大，何况好像灵验扼制位翻转特别。恰是这种噪声偏差事得 Ocelot 好像以不到五分之一的量子比特（五个数据量子比特和四个援手量子比特）收场 distance-5 代码，而名义代码建筑则需要 49 个量子比特。

限制至关要紧

从现代 GPU 中的数十亿个晶体管到复旧 AI 模子的大限制 GPU 集群，高效扩展的才智是时刻跳动的关键驱能源。一样，扩展量子比特的数目以顺应量子纠错所需的支拨将是收场具有交易价值的量子计较机的关键。

但计较历史标明，扩展正确的组件可能会对资本、性能甚而可行性产生纷乱影响。当晶体管取代真空管成为扩展的基本构件时，计较机创新才信得过运转。

Ocelot 是咱们的第一款经受 Cat 量子比特架构的芯片，亦然对其四肢收场量子纠错的基本构建块的适用性的初步测试。Ocelot 的将来版块正在开导中，它将通过组件性能的擢升和代码距离的加多来成倍地缩小逻辑特别率。

针对有偏噪声定制的代码（举例 Ocelot 中使用的疏通代码）不错权臣减少所需的物理量子比特数。在咱们行将发表的论文"用于可扩展、硬件高效量子纠错的羼杂 cat-transmon 架构"中，咱们发现与具有近似物理量子比特特别率的传统名义代码方法比拟，扩展 Ocelot 不错将量子纠错支拨减少高达 90%。

亚马逊肯定，Ocelot 的架构极度高效的硬件纠错方法使咱们好像很好地应付量子计较的下一阶段：学习怎么扩展。使用高效的硬件方法将使咱们好像更快、更经济高效地收场一台造福社会的纠错量子计较机。

亚马逊暗示："以前几年，量子计较参加了一个繁荣东说念主心的新期间，量子纠错已从黑箱走向测试台。借助 Ocelot开云官网切尔西赞助商，咱们才刚刚运转走上容错量子计较的说念路。对于有好奇加入咱们这一旅程的东说念主，咱们正在招聘量子计较堆栈中的职位。"