科学家们正在攻克量子计算领域最大的障碍之一：噪声和干扰引起的错误。他们的解决方案是什么？一种名为 Ocelot 的新芯片，该芯片使用“猫态量子比特”——一种能大幅降低错误的特殊量子比特。
传统量子系统需要数千个额外的量子位来进行错误修正，但这一突破可能将这一数字减少90%，使我们离实用、强大的量子计算机更近一步。
突破量子计算的最大障碍
位于加州理工学院 (Caltech) 校园内的亚马逊网络服务 (Amazon Web Services) 量子计算中心 (Center for Quantum Computing) 的科学家们，在减少量子计算机错误方面取得了重大进展，而量子计算错误正是阻碍这些强大机器充分发挥潜力的最大障碍之一。
量子计算机以量子力学原理的奇异性质为运算基础，有望为医学、材料科学、密码学和基础物理学等领域带来革命性变革。然而，尽管它们在专业物理研究领域展现出巨大潜力，但在更先进、更实用的应用中仍然极易出错。它们对外部干扰极为敏感，如振动、热量、日常设备的电磁干扰，甚至宇宙射线，这些干扰都会导致频繁出错，使得量子计算机的可靠性远低于传统计算机。
一种新方法：猫量子比特
在2月26日出版的《自然》杂志中，来自亚马逊网络服务（Amazon Web Services）和加州理工学院（California Institute of Technology）的科学家团队报告了一种新的量子芯片架构，该架构使用一种被称为猫态量子比特（cat qubit）的量子比特来抑制错误。猫态量子比特的概念最初于2001年提出，自此之后，研究人员一直致力于对其进行开发和改进。现在，亚马逊网络服务团队已经研制出首个可扩展的猫态量子比特芯片，该芯片可用于有效减少量子错误。这款名为Ocelot的新型量子计算芯片以斑点野猫命名，同时也致敬了猫态量子比特所依赖的内部“振荡器”技术。
“要想让量子计算机取得成功，我们需要将错误率降低到当前水平的约十亿分之一，”加州理工学院应用物理学和物理学教授、AWS量子硬件部门负责人奥斯卡·佩因特（2001年获得博士学位）说道。“错误率每两年大约会降低一半。按照这个速度，我们需要70年才能达到目标水平。相反，我们正在开发一种新型芯片架构，或许能够让我们更快达到目标。也就是说，这还只是一个早期构建模块。我们还有很多工作要做。”
量子比特的脆弱性
量子位（qubits）以1和0为基础，就像经典计算机那样，但这些1和0处于叠加态。这意味着它们可以同时以1和0的任何组合形式存在。这也意味着它们非常脆弱，很容易失去叠加态。Painter说：“让量子位功能强大的特性也会使它们容易受到量子误差的影响。”
传统数字计算机系统处理错误的方式十分直接。基本上，这些系统的设计者会使用额外的冗余位来保护数据免受错误影响。例如，将单个信息位复制到三个位中，这样任何一个位都有两个备份伙伴。如果其中一个位出错（从1翻转到0或从0翻转到1），而其他两个位没有翻转，那么就可以使用简单的代码（在这种情况下，称为三位重复码）来检测错误并恢复出错的那一位。
量子计算中的过顶问题
由于量子比特叠加态的复杂性，它们可能会遇到两类错误：比特翻转（与经典数字系统中的情况类似）和相位翻转（其中量子比特状态1和0的相位彼此不同步）。研究人员已经开发了许多策略来处理量子系统中的这两类错误，但这些方法需要量子比特拥有大量的备用配对。事实上，目前的量子比特技术可能需要数千个额外的量子比特，才能提供所需的错误防护水平。这就像一家新闻机构雇佣了一座大楼里的众多事实核查人员来核实其文章的准确性，而不是只靠一个小团队。量子计算机的额外开销过于庞大且难以管理。
“我们一直在寻求构建一种有用的量子计算机，使其能够完成即便是性能最好的超级计算机也无法完成的工作，但扩展它们是一项巨大的挑战，”该研究合著者、加州理工学院理论物理学布伦教授兼亚马逊网络服务应用科学总监费尔南多·布兰多表示。“因此，我们正在努力尝试新的纠错方法，以降低额外成本。”
猫态量子比特如何减少误差
该团队的新方案依赖于由微波振荡器制成的超导电路形成的一种量子位，其中代表量子位的1和0状态被定义为两种不同的大规模振荡幅度。这使得量子位状态非常稳定，且不受位翻转错误的影响。Painter解释道：“你可以将这两种振荡状态想象成一个孩子在秋千上大幅摆动，但要么向左摆，要么向右摆。可能会有风吹来晃动秋千，但振荡幅度如此之大，以至于它无法迅速从一个摆动方向切换到另一个方向。”
事实上，“猫”态量子比特这一名称指的是这些量子比特能够同时呈现两种非常大或宏观的状态，就像埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）思想实验中的著名猫咪一样，能够同时处于死亡和存活两种状态。
可扩展性更强的量子未来
由于猫态量子比特的位翻转错误已大大减少，现在唯一需要纠正的错误就是相位翻转错误。而只需纠正一种类型的错误，就意味着研究人员可以使用重复码，就像在传统系统中用来纠正位翻转错误那样。
“诸如Ocelot中重复码这样的经典编码意味着新芯片将不再需要大量量子比特来进行错误修正，”布兰当说道，“我们已经证明了一种更具可扩展性的架构，可以将用于错误修正所需的额外量子比特数量减少多达90%。”
Ocelot芯片的突破
Ocelot芯片通过结合五个猫态量子比特以及用于稳定其振荡的特殊缓冲电路和四个用于检测相位错误的辅助量子比特来实现这一目标。发表于《自然》杂志的文章中的结果表明，研究团队提出的简单重复码在捕获相位翻转错误方面十分有效，并且随着量子比特从三个猫态量子比特增加到五个猫态量子比特，该重复码的效果也会提升。此外，相位错误检测过程采用了可在猫态量子比特中保持高水平比特翻转错误抑制的方式来实现。
这一概念验证演示仍需进一步完善，但Painter表示，他对Ocelot能如此迅速地展现出性能感到激动，并且该团队正在进行更多研究以扩大技术规模。“这是一个非常棘手的问题，我们需要继续对基础研究进行投资，同时与学术界正在开展的重要工作保持联系并从中学习，”他表示。
参考文献：哈拉德·普特曼、京柱·诺、康纳·T·汉恩、格雷戈里·S·麦卡比、沙里亚尔·阿加伊梅博迪、里希·N·帕特尔、李明扬、威廉·M·琼斯、赫萨姆·莫拉迪内贾德、罗伯托·罗德里格斯、内哈·马胡利、杰斐逊·罗斯、约翰·克莱·欧文斯、哈里·莱文、艾玛·罗森菲尔德、菲利普·莱因霍尔德、洛伦佐·蒙切尔西、约书亚·阿里·阿尔西德、纳赛尔·阿里杜斯特、帕特里西奥·阿兰戈伊斯·阿里奥拉、詹姆斯·巴内特、普热梅斯瓦夫·比埃尼亚斯、休·A·卡森、克利夫·陈、李晨、哈鲁蒂安·钦克兹扬、埃里克·M·奇泽姆、明翰·周、阿希什·克拉克、安德鲁·克利福德、R·科西克、阿娜·瓦尔德斯·库里埃尔、埃里克·戴维斯、劳拉·德洛伦佐、J·米切尔·迪瓦特、阿特·迪基、内森·D·苏萨、菲利普·T·杜米特雷斯库、施缪埃尔·艾森曼、埃萨姆·埃尔胡利、格伦·埃文布利、迈克尔·T·方、亚文·方、马修·J·弗林、沃伦·丰、加布里埃尔·加西亚、阿列克谢·V·戈尔什科夫、朱莉娅·A·格兰特、梅森·J·格雷、塞巴斯蒂安·格里姆伯格、阿尔内·L·格里姆斯莫、阿尔贝尔·海姆、贾斯汀·汉德、袁赫、迈克·埃尔南德斯、戴维·霍弗、吉米·S·C·洪、马修·亨特、乔·艾弗森、伊尼亚斯·雅里热、让-克里斯托夫·雅斯库拉、姜亮、马哈茂德·卡拉伊、拉苏尔·卡拉巴林、彼得·J·卡拉莱卡斯、安德鲁·J·凯勒、阿米尔侯赛因·哈拉吉海达亚提、亚历山大·库比察、韩浩·李、凯瑟琳·勒鲁克斯、西蒙·吕、维克托·吕、凯文·维勒加斯·马德里加尔、纪尧姆·马尔考德、加文·麦凯布、科迪·迈尔斯、阿什莉·米尔斯特德、华金·明古齐、阿努拉格·米什拉、比斯瓦鲁普·穆克吉、马赫迪·纳吉卢、埃里克·奥布莱皮亚斯、格森·奥尔图诺、杰森·帕迪拉奥、尼古拉·潘科蒂、阿什莉·潘杜罗、JP·帕克特、敏杰·帕克、格雷戈里·A·皮尔斯、戴维·佩雷洛、埃里克·C·彼得森、索菲娅·庞特、约翰·普雷斯基尔、约翰逊·乔、吉尔·雷法埃尔、雷切尔·雷斯尼克、亚历克斯·雷茨克、奥马尔·A·雷纳、马克·鲁尼安、科尔姆·A·瑞安、阿卜杜勒拉赫曼·萨赫穆德、埃尔内斯托·桑切斯、罗汉·萨尼尔、克里沙努·桑卡尔、裕树·佐藤、托马斯·斯卡菲迪、萨洛梅·西亚沃希、普拉桑特·西瓦拉贾、特伦顿·斯科格兰、春聚·苏、洛伦·J·斯文森、斯蒂芬妮·M·迪奥、阿斯特丽德·托马达、贾科莫·托莱拉、E·亚历克斯·沃拉克、叶裕丰、杰西卡·A·泽鲁多、张凯玲、费尔南多·G·S·L·布兰当、马修·H·马西尼和奥斯卡·潘特，2025年2月26日，《自然》期刊。DOI：10.1038/s41586-025-08642-7
自然研究由亚马逊网络服务（Amazon Web Services）资助。除众多亚马逊网络服务研究人员外，该研究的其他加州理工学院（California Institute of Technology）作者还包括：理论物理学教授、理查德·P·费曼（Richard P. Feynman）教授、量子信息与物质研究所（Institute for Quantum Information and Matter，简称IQIM）艾伦·V·C·戴维斯（Allen V. C. Davis）和莱纳贝尔·戴维斯（Lenabelle Davis）领导力主席约翰·普雷斯基尔（John Preskill），以及理论物理学泰勒·W·劳伦斯（Taylor W. Lawrence）教授吉尔·雷法埃尔（Gil Refael）。
