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亞馬遜的云子公司AWS日前發(fā)布了有關(guān)研究的第一篇論文，詳細(xì)介紹了未來量子計(jì)算機(jī)的新架構(gòu)，如果新架構(gòu)能得以實(shí)現(xiàn)，則將為糾錯(cuò)設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)。

AWS云公司日前公布了容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)新藍(lán)圖，盡管新藍(lán)圖仍是純理論性的，但新藍(lán)圖描述了一種控制量子比特（或稱qubits）的新方法，可確保量子比特盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算。

這篇論文很可能會(huì)引起許多致力于改進(jìn)量子糾錯(cuò)（QEC）專家的注意，量子糾錯(cuò)是個(gè)與量子計(jì)算同步發(fā)展的領(lǐng)域，旨在解決阻礙實(shí)現(xiàn)實(shí)用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的一些關(guān)鍵障礙。

量子系統(tǒng)由于成倍地提高了計(jì)算能力，有望在金融、藥物發(fā)現(xiàn)等行業(yè)獲得突破性進(jìn)展，但實(shí)際上量子系統(tǒng)仍然存在各種不完善的地方或者說錯(cuò)誤，這些都會(huì)搞砸計(jì)算結(jié)果。

量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)件是量子比特，量子比特處于特殊的量子狀態(tài)：量子比特不像經(jīng)典計(jì)算設(shè)備里比特那樣處于1或0的狀態(tài)，量子比特可以同時(shí)處于1和0兩種狀態(tài)。雖然量子比特這種特性使得量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行許多計(jì)算，但量子比特也非常不穩(wěn)定，一旦暴露在外界環(huán)境里，其量子狀態(tài)就有可能崩潰。因此，量子門中的量子比特所進(jìn)行的計(jì)算可能常常不那么靠譜，科學(xué)家們現(xiàn)在的研究就是要找到發(fā)現(xiàn)量子比特何時(shí)出錯(cuò)以及糾正錯(cuò)誤的方法。

AWS量子計(jì)算中心研究科學(xué)家Patricio Arrangoiz-Arriola和Earl Campbell在一篇博客文章里表示，"一些已知有用的量子算法可能需要幾百萬或幾十億個(gè)量子門，這些算法可能與經(jīng)典算法比具有壓倒性優(yōu)勢。但不幸的是，量子算法構(gòu)件里的量子門很容易出錯(cuò)。"

博文稱，"雖然錯(cuò)誤率在不斷下降，但仍比能提供高保真算法運(yùn)行所需的錯(cuò)誤率高了許多個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員為了進(jìn)一步降低錯(cuò)誤率需要用到其他一些補(bǔ)充方法（如QEC），以達(dá)到在物理層面降低門錯(cuò)誤率的目的。"

量子糾錯(cuò)可以用不同的方法。傳統(tǒng)的方法名為主動(dòng)QEC，就是用許多不完美的量子比特（名叫“物理量子比特”）去糾正已被確定存在錯(cuò)誤的一個(gè)量子比特并恢復(fù)其粒子的精確狀態(tài)。這種方式產(chǎn)生的可控量子比特人稱“邏輯量子比特”。

但主動(dòng)QEC產(chǎn)生的硬件開銷很大，因?yàn)槊總�(gè)邏輯量子比特的編碼需要許多物理量子比特，因此要構(gòu)建一個(gè)由大規(guī)模量子比特電路組成的通用量子計(jì)算機(jī)就十分地困難。

另一種方法是被動(dòng)QEC，被動(dòng)QEC側(cè)重于設(shè)計(jì)一個(gè)具有固有抗錯(cuò)穩(wěn)定性的物理計(jì)算系統(tǒng)。雖然圍繞被動(dòng)QEC的許多工作仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但該方法旨在建立固有的容錯(cuò)性，從而可以加速構(gòu)建具有大規(guī)模量子比特的量子計(jì)算機(jī)。

根據(jù)發(fā)布的新藍(lán)圖，AWS的研究人員會(huì)結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)QEC打造一款理論上可以達(dá)到更高的精度水平的量子計(jì)算機(jī)。其架構(gòu)提出了一個(gè)基于 "貓態(tài) "（cat states）的系統(tǒng)，貓態(tài)是被動(dòng)QEC的一種形式，量子比特在振蕩器里保持疊加狀態(tài)，通過注入和提取一對光子確保量子狀態(tài)保持穩(wěn)定。

根據(jù)AWS科學(xué)家的說法，研究顯示，這種設(shè)計(jì)可以減少比特比特反轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，比特反轉(zhuǎn)指量子比特狀態(tài)從1反轉(zhuǎn)到0或從0反轉(zhuǎn)到1。但為了進(jìn)一步保護(hù)量子比特不受其他類型錯(cuò)誤的影響，研究人員提出將被動(dòng)QEC與已知的主動(dòng)QEC技術(shù)結(jié)合起來用。

例如，重復(fù)碼已經(jīng)是量子設(shè)備用到的成熟檢錯(cuò)和糾錯(cuò)方法，Arrangoiz-Arriola和Campbell在他們的理論量子計(jì)算機(jī)里將重復(fù)碼與貓態(tài)放在一起用，以達(dá)到提高容錯(cuò)的目的。

結(jié)果似乎頗為喜人：貓態(tài)和重復(fù)碼的結(jié)合產(chǎn)生了一個(gè)架構(gòu)，架構(gòu)里只需用于穩(wěn)定的2000多個(gè)超導(dǎo)元件就可以產(chǎn)生一百個(gè)能夠執(zhí)行一千個(gè)門的邏輯量子比特。

Arrangoiz-Arriola和Campbell表示，“利用當(dāng)前或近期技術(shù)可以將這些置于單一稀釋箱內(nèi)，其計(jì)算能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上可以模擬的范圍。”

不過，在研究人員提出的這個(gè)理論架構(gòu)能夠以物理設(shè)備形狀現(xiàn)身前還存在一些挑戰(zhàn)。例如，貓態(tài)在之前的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中是在實(shí)驗(yàn)室里展示的，但尚未進(jìn)入實(shí)用規(guī)模生產(chǎn)。

該論文則提出，越來越多的大科技公司看起來已經(jīng)加入這場量子競賽，AWS也在為量子計(jì)算做好準(zhǔn)備。

IBM最近公布了一個(gè)路線圖，目標(biāo)是2023年的1121量子位系統(tǒng)，IBM目前正在研發(fā)127量子位的處理器。谷歌的54量子位 Sycamore芯片曾在2019年成為量子霸主，當(dāng)時(shí)是個(gè)大新聞。而微軟最近也推出了旗下基于云的量子生態(tài)系統(tǒng)Azure Quantum的公開預(yù)覽版。

亞馬遜則推出一項(xiàng)名為Amazon Braket的AWS管理服務(wù)，科學(xué)家、研究人員和開發(fā)人員可以通過該管理服務(wù)利用D-Wave、IonQ和Rigetti等量子硬件供應(yīng)商的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不過，亞馬遜尚有待打造自己的量子計(jì)算機(jī)。