科学家们展示了一种新的量子芯片架构，利用一种被称为猫量子比特的量子比特来抑制错误。
位于加州理工学院AWS量子计算中心的科学家们在解决量子计算机中抑制错误这一棘手问题上取得了重大进展，这个问题仍然是构建未来机器的最大障碍。
量子计算机基于量子领域看似神奇的特性，承诺可用于许多不同的领域，包括医学、材料科学、密码学和基础物理学。但是，尽管今天的量子计算机在研究物理学的小众领域中可以发挥作用，但由于其对噪声的固有敏感性，目前尚无法实现一种能够解决更高级问题的通用量子计算机。振动、热量、手机和Wi-Fi网络的电磁干扰，甚至来自外太空的宇宙射线和辐射，都可能使量子比特（qubit）——量子比特——脱离其量子状态。因此，量子计算机比经典计算机产生更多的错误。
在《自然》杂志的2023年2月26日刊中，一组来自AWS和加州理工学院的科学家展示了一种新的量子芯片架构，通过使用一种称为猫量子比特的量子比特来抑制错误。猫量子比特首次提出于2001年，此后研究人员对其进行了开发和改进。现在，AWS团队组装了第一个可扩展的猫量子比特芯片，可以高效地减少量子错误。新量子计算芯片名为“Ocelot”，以有斑点的野猫命名，同时也指代支撑猫量子比特的内部“振荡器”技术。
“为了让量子计算机取得成功，我们需要错误率比现在低约十亿倍，”加州理工学院应用物理和物理学约翰·G·布劳恩教授、AWS量子硬件负责人奥斯卡·佩恩特说。“错误率每两年下降约一半。按这个速度，我们需要70年才能到达我们想要的地方。相反，我们正在开发一种新的芯片架构，可以让我们更快地达到目标。不过，这仍然是一个早期的构建块，我们还有很多工作要做。”
量子比特的基础是和经典计算机相同的1和0，但1和0处于叠加态。这意味着它们可以同时呈现1和0的任何组合。这也意味着它们是脆弱的，容易脱离叠加。佩恩特说：“使量子比特强大的特性也使它们对量子错误敏感。”
经典数字计算机系统有一种直接处理错误的方法。基本上，这些系统的设计者使用额外的冗余比特来保护数据免受错误的影响。例如，单个信息比特在三个比特之间复制，因此任何一个比特都有两个备份伙伴。如果其中一个比特发生错误（从1变为0或从0变为1），而其他两个比特没有变化，就可以使用一个简单的代码——在这种情况下被称为三比特重复码——来检测错误并恢复出错的比特。
由于量子比特中的叠加复杂性，它们可能会出现两种类型的错误：像经典数字系统中的比特翻转，以及相位翻转，其中量子比特的1和0状态彼此之间失去相位（或不同步）。研究人员已经开发了许多策略来处理这两种错误类型，但这些方法要求量子比特拥有一定数量的备份伙伴。实际上，当前的量子比特技术可能需要成千上万的额外量子比特才能提供所需的错误保护级别。这就像一家新闻机构需要一幢庞大的事实检查员办公楼，以验证其文章的准确性，而不是只依赖一个小团队。量子计算机的开销过大且难以处理。
“我们在长期的探索中，要建设一台有用的量子计算机，能够做到即使是最好的超级计算机也做不到的事情，但扩展它们是一个巨大的挑战，”研究共同作者、加州理工学院理论物理学布伦教授、AWS应用科学主任费尔南多·布兰达奥说。“因此，我们正在尝试新的错误修正方法，以减少开销。”
团队的新方案依赖于由微波振荡器构成的超导电路形成的一种量子比特，其中代表量子比特的1和0状态被定义为两种不同的大振幅振荡。这使得量子比特的状态非常稳定，不易受到比特翻转错误的影响。佩恩特解释说：“你可以把这两个振荡状态想象成一个孩子在秋千上，秋千摆动幅度很大，但要么向左摆动，要么向右摆动。风可能会吹来并撞击秋千，但振荡幅度如此之大，以至于不能迅速从一种摆动方向切换到另一种方向。”
实际上，“猫”量子比特这个名称指的是这些量子比特能够同时表现为两个非常大的或宏观的状态——就像厄尔温·薛定谔的思想实验中著名的猫，可以同时既死又活。
由于猫量子比特显著减少了比特翻转错误，剩下要纠正的唯一错误就是相位翻转错误。而仅纠正一种类型的错误意味着研究人员可以使用类似于在经典系统中修复比特翻转错误的重复码。
布兰达奥说：“像Ocelot中的重复码这样的经典代码意味着新的芯片将不需要那么多的量子比特来修正错误。”他补充说：“我们已经展示了一种更具可扩展性的架构，可以将错误修正所需的额外量子比特数量减少多达90%。”
Ocelot芯片通过结合五个猫量子比特，特定的缓冲电路以稳定其振荡，以及四个辅助量子比特以检测相位错误来实现这一目标。提交给《自然》文章的结果显示，团队的简单重复码有效地捕捉相位翻转错误，并随着代码从三个猫量子比特增加到五个猫量子比特而得到改善。此外，相位错误检测过程的实施保持了猫量子比特中高水平的比特翻转错误抑制。
这个概念证明演示仍有很长的路要走，但佩恩特说，他对Ocelot迅速表现出的性能感到兴奋，团队正在进行更多研究，以扩大该技术。“这是一个非常困难的问题，需要继续投资基础研究，同时与学术界的重要工作保持联系并学习，”他说。
该《自然》研究题为“通过串联玻色量子比特实现硬件高效的量子错误校正”，由AWS资助。除了许多AWS研究人员外，其他加州理工学院的作者还包括理查德·P·费曼理论物理学教授及量子信息与物质研究所的艾伦·V·C·戴维斯与莱娜贝尔·戴维斯领导主席约翰·普雷斯基尔和泰勒·W·劳伦斯理论物理学教授吉尔·雷法尔。
