继谷歌、微软之后，亚马逊近日也发布了自家的第一代量子筹谋芯片 Ocelot，初度杀青了可彭胀的玻色子纠错架构，与面前的量子纠错花样比较资本不错缩小越过 90%。

亚马逊暗意，Ocelot 杀青了以下紧要时间跨越：

初度杀青了可彭胀的玻色子纠错架构，超越了传统的量子比特花样，缩小了纠错支出；初度杀青噪声偏置门——这是解锁构建可彭胀、买卖上可行的量子筹谋机所必需的硬件高效纠错类型的要津；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

亚马逊暗意，"咱们肯定，将 Ocelot 彭胀为简略产生变革性社会影响的老练量子筹谋机，所需的资源仅为常见花样的十分之一，有助于更接近实用量子筹谋的期间。"

量子纠错：可靠量子筹谋的要津

量子筹谋机有望以比传统筹谋机更快的速率（以致指数级）实际某些筹谋。这意味着量子筹谋机不错惩处一些传统筹谋长期无法惩处的问题。

量子筹谋的本色应用将需要复杂的量子算法和数十亿个量子门——这是量子筹谋机的基本操作。但面前的量子筹谋机对环境噪声极其明锐，这意味着面前最好的量子硬件也只可无舛讹地运行梗概一千个门。我何如弥补这一差距？

量子纠错表面于 20 世纪 90 年代初度建议，它提供了一种惩处有野心。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，不错保护量子筹谋机中的信息免受外部噪声的影响。不仅如斯，还不错以访佛于数字存储和通讯中使用的经典纠错花样的花样检测和改造舛讹。

最近的实验仍是走漏馅有但愿的推崇，但面前基于超导或原子量子比特的最好逻辑量子比特的舛讹率仍然比已知具有实用性和量子上风的量子算法所需的舛讹率高出十亿倍。

量子比特支出的挑战

诚然量子纠错提供了一种阶梯来弥补面前舛讹率与本色量子筹谋所需舛讹率之间的庞杂差距，但它在资源支出方面也付出了千里重的代价。缩小逻辑量子比特舛讹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。

传统的量子纠错花样，举例使用名义纠错码的花样，面前需要每个逻辑量子比特少见千个（要是咱们相配相配勤奋的话，将来可能要少见百个）物理量子比特才能达到所需的舛讹率。这意味着一台商用量子筹谋机将需要数百万个物理量子比特——比刻下硬件的量子比特数目高出很多个数目级。

形成这种高支出的一个根底原因是量子系统会遭受两种类型的舛讹：位翻转舛讹（也存在于经典位中）和相位翻转舛讹（量子位出奇）。经典位只需要改造位翻转，而量子位则需要格外的冗余层来处理这两种类型的舛讹。

诚然很神秘，但这种增多的复杂性导致量子系统需要多数的资源支出。比较之下，一个好的经典纠错码不错杀青咱们守望的量子筹谋舛讹率，而支出不到 30%，梗概是传统名义代码花样支出的万分之一（假定比特舛讹率为 0.5%，与刻下硬件中的量子比特舛讹率相似）。

Cat 量子比特：一种更有用的纠错花样

当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（常常标记为 0 和 1，访佛于经典数字比特）。以省略的谐振子为例，它以明确的频率颠簸。谐振子有各式万般的步地和大小，从用于在播放音乐时保握时期的机械节奏器到用于雷达和通讯系统的微波电磁颠簸器。

经典上，颠簸器的情状不错用其颠簸的振幅和相位来暗意。从量子力学的角度来看，情况访佛，尽管振幅和相位长期不会同期完竣界说，何况与添加到系统中的每个能量量子相关的振幅齐存在潜在的颗粒度。

这些能量量子便是所谓的玻色子粒子，其中最知名的是光子，与电磁场联系。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，咱们不错拜谒的颠簸器情状（振幅）就越多。玻色子量子缺欠校正依赖于玻色子 而不是省略的双态量子比特系统，它使用这些格外的颠簸器情状更有用地保护量子信息免受环境噪声的影响，并进行更高效的缺欠校正。

一种玻色子量子纠错使用 Cat 量子比特，以埃尔温 · 薛定谔知名想想实验中的死 / 活薛定谔猫定名。Cat 量子比特使工具有明确振幅和相位的类经典情状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草创性论文几年后，照应东说念主员驱动偷偷开荒一种基于 Cat 量子比特的纠错替代花样。

Cat 量子比特的主要上风在于其固有的防位翻转舛讹保护。增多颠簸器中的光子数目不错使位翻转舛讹的发生率呈指数级下跌。这意味着咱们无需增多量子比特数，只需增多颠簸器的能量，就不错使纠错后果大大培植。

昔日十年，很多草创性的实验齐展示了 Cat 量子比特的后劲。然则，这些实验大多聚合于单 Cat 量子比特演示，而 Cat 量子比特能否集成到可彭胀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彭胀性

今天，咱们在《当然》杂志上发表了对 Ocelot 的测量为止偏激量子纠错性能。Ocelot 代表着迈向实用量子筹谋机的迫切一步，它控制 Cat 量子比特的芯片级集成来形成可彭胀、硬件高效的量子纠错架构。在这种花样中，

位翻转舛讹在物理量子位层面上被成倍地扼制；使用重迭码（最省略的经典纠错码）来改造相位翻转舛讹；何况每个 Cat 量子比特和扶植传输量子比特（超导量子电路中使用的惯例量子比特）之间的高度噪声偏置受控非（C-NOT）门简略杀青相位翻转舛讹检测，同期保留 Cat 的位翻转保护。

△ Ocelot 芯片中杀青的逻辑量子位的图形演示：逻辑量子位由 cat 数据量子位、transmon 扶植量子位和煦冲模式的线性阵列构成。流通到每个 cat 数据量子位的缓冲模式用于改造位翻转舛讹，而 cat 数据量子位线性阵列上的重迭代码用于检测和改造相位翻转舛讹。重迭代码在每对相邻的 cat 数据量子位和分享的 transmon 扶植量子位之间使用噪声偏置受控非门操作来标记和定位 cat 数据量子位阵列内的相位翻转舛讹。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）舛讹。

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，每个量子比特齐包含一个用于存储量子数据的颠簸器。每个 cat 量子比特的存储颠簸器齐流通到两个扶植 transmon 量子比特，用于相位翻转缺欠检测，并与一个特殊的非线性缓冲电路配对，用于自由 cat 量子比特情状并指数级扼制比特翻转缺欠。

转变 Ocelot 修复需要左证 cat 振幅（平均光子数）校准 cat 量子比特的位和相位翻转舛讹率，并优化用于相位翻转舛讹检测的 C-NOT 门的噪声偏差。咱们的实验为止标明，咱们不错杀青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。

至关迫切的是，这不错通过小至四个光子的 Cat 振幅来杀青，使咱们简略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动作逻辑量子位存储器的性能。为了表征重迭代码的性能和架构的可彭胀性，咱们照应了 Ocelot Cat 量子比特的子集，代表不同的重迭代码长度。

现代码距离从 distance-3 增多到 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 光子数范围内，逻辑相位翻转舛讹率显赫下跌，这标明了重迭代码的有用性。

当包含位翻转舛讹时，distance-3 代码的总逻辑舛讹率测量为每周期 1.72%，distance-5 代码的总逻辑舛讹率测量为每周期 1.65%。distance-5 代码的总舛讹率与距离较短的 distance-3 代码的总舛讹率很是，distance-3 代码的 cat 量子比特较少，位翻转舛讹的可能性也较大，这不错归因于 C-NOT 门的噪声偏差较大，何况简略有用扼制位翻转舛讹。恰是这种噪声偏差事得 Ocelot 简略以不到五分之一的量子比特（五个数据量子比特和四个扶植量子比特）杀青 distance-5 代码，而名义代码修复则需要 49 个量子比特。

范畴至关迫切

从现代 GPU 中的数十亿个晶体管到撑握 AI 模子的大范畴 GPU 集群，高效彭胀的智力是时间跨越的要津驱能源。相通，彭胀量子比特的数目以恰当量子纠错所需的支出将是杀青具有买卖价值的量子筹谋机的要津。

但筹谋历史标明，彭胀正确的组件可能会对资本、性能以致可行性产生庞杂影响。当晶体管取代真空管成为彭胀的基本构件时，筹谋机更动才着实驱动。

Ocelot 是咱们的第一款给与 Cat 量子比特架构的芯片，亦然对其动作杀青量子纠错的基本构建块的适用性的初步测试。Ocelot 的畴昔版块正在开荒中，它将通过组件性能的培植和代码距离的增多来成倍地缩小逻辑舛讹率。

针对有偏噪声定制的代码（举例 Ocelot 中使用的重迭代码）不错显赫减少所需的物理量子比特数。在咱们行将发表的论文"用于可彭胀、硬件高效量子纠错的羼杂 cat-transmon 架构"中，咱们发现与具有访佛物理量子比特舛讹率的传统名义代码花样比较，彭胀 Ocelot 不错将量子纠错支出减少高达 90%。

亚马逊肯定，Ocelot 的架构偏激高效的硬件纠错花样使咱们简略很好地莽撞量子筹谋的下一阶段：学习何如彭胀。使用高效的硬件花样将使咱们简略更快、更经济高效地杀青一台造福社会的纠错量子筹谋机。

亚马逊暗意："昔日几年，量子筹谋过问了一个旺盛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开云体育，咱们才刚刚驱动走上容错量子筹谋的说念路。对于有有趣加入咱们这一旅程的东说念主，咱们正在招聘量子筹谋堆栈中的职位。"