Ocelot量子芯片：基于“猫比特”的低错误率新架构

科学家们在位于某中心的量子计算中心取得了一项突破，解决了如何抑制量子计算机中错误这一棘手问题，这仍是构建未来量子计算机的最大障碍。

量子计算机基于量子领域看似神奇的特性，有望在医学、材料科学、密码学和基础物理学等多个领域得到应用。然而，尽管当今的量子计算机可用于研究物理学中的特定领域，但由于其对噪声固有的敏感性，能够解决更高级问题的通用量子计算机尚无法实现。振动、热量、来自手机和Wi-Fi网络的电磁干扰，甚至来自外太空的宇宙射线和辐射，都可能使量子比特脱离其量子态。因此，量子计算机会比经典计算机产生更多的错误。

在《自然》杂志2月26日刊中，来自某中心的研究团队展示了一种新的量子芯片架构，它利用一种名为“猫比特”的量子比特来抑制错误。猫比特最初于2001年被提出，此后研究人员对其进行了发展和改进。现在，该中心的团队已经组装出了首个可扩展的猫比特芯片，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，同时也暗指构成猫比特基础的内部“振荡器”技术。

“为了使量子计算机取得成功，我们需要将错误率提高到比现在好大约十亿倍，” 某中心的量子硬件负责人表示。“错误率大约每两年下降一半。按照这个速度，我们需要70年才能达到目标。相反，我们正在开发一种新的芯片架构，或许能让我们更快地实现目标。话虽如此，这只是一个早期的构建模块。我们还有很多工作要做。”

量子比特像经典计算机一样基于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。这也意味着它们非常脆弱，很容易从叠加态中跌落。“使量子比特强大的特性也使其对量子错误敏感，”该负责人解释道。

经典数字计算机系统处理错误的方式直接明了。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影响。例如，单个信息比特被复制到三个比特上，这样任何一个比特都有两个备份伙伴。如果其中一个比特出现错误（从1翻转到0或从0翻转到1），而另外两个没有翻转，就可以使用一个简单的代码（在这种情况下，称为三比特重复码）来检测错误并恢复那个出错的比特。

由于量子比特中叠加态的复杂性，它们可能出现两种类型的错误：比特翻转（与经典数字系统相同）和相位翻转（即量子比特的1和0状态彼此失步）。研究人员已经开发出许多策略来处理量子系统中的这两种错误类型，但这些方法要求量子比特拥有大量备份伙伴。事实上，当前的量子比特技术可能需要数千个额外的量子比特来提供所需的错误保护水平。这就像一个新闻机构雇佣一栋大楼的事实核查员来核实其文章的准确性，而不是只用一个小组。量子计算机的开销是巨大且笨重的。

“我们正在进行一项长期探索，以构建一个有用的量子计算机，做即使最好的超级计算机也无法做到的事情，但扩大其规模是一个巨大的挑战，”该研究的合著者说。“因此，我们正在尝试新的纠错方法，以减少开销。”

团队的新方案依赖于一种由微波振荡器超导电路形成的量子比特，其中代表量子比特的1和0状态被定义为两个不同的大规模振荡振幅。这使得量子比特状态非常稳定，并且不受比特翻转错误的影响。“你可以把这两个振荡状态想象成一个荡秋千的孩子，他以高振幅摆动，但要么向左摆动，要么向右摆动。一阵风可能会扰乱秋千，但振荡的振幅如此之大，以至于它无法快速从一个摆动方向切换到另一个方向，”该负责人解释道。

事实上，“猫”比特这个名字指的是这些量子比特能够同时呈现两个非常大的（即宏观的）状态的能力——就像埃尔温·薛定谔著名思想实验中的那只猫，可以同时既是死的又是活的。

由于猫比特显著减少了比特翻转错误，剩下需要纠正的错误就只有相位翻转错误。而只需纠正一种类型的错误意味着研究人员可以使用像经典系统中用于修复比特翻转错误的重复码那样的代码。

“Ocelot中像重复码这样的经典代码意味着新芯片将不需要那么多量子比特来纠错，”合著者说。“我们已经展示了一种更可扩展的架构，可以将纠错所需的额外量子比特数量减少高达90%。”

Ocelot芯片通过结合五个猫比特、用于稳定其振荡的特殊缓冲电路以及四个用于检测相位错误的辅助量子比特来实现这一点。发表在《自然》文章中的结果表明，团队的简单重复码能有效捕获相位翻转错误，并且随着码从三个猫比特增加到五个猫比特，纠错效果得到改善。更重要的是，相位错误检测过程的实施方式保持了猫比特中高水平的比特翻转错误抑制。

这一概念验证演示仍有很长的路要走，但该负责人表示，他对Ocelot如此迅速展现出的性能感到兴奋，并且团队正在进行更多研究以扩大该技术的规模。“这是一个非常棘手的问题，我们需要继续投资于基础研究，同时保持联系并学习学术界正在进行的重要工作，”他说。

这项发表在《自然》上的研究得到了某中心的资助。除了许多某中心的研究人员外，其他作者还包括某机构的理论物理学教授。
更多精彩内容 请关注我的个人公众号 公众号（办公AI智能小助手）或者 我的个人博客 https://blog.qife122.com/
对网络安全、黑客技术感兴趣的朋友可以关注我的安全公众号（网络安全技术点滴分享）