量子計算的終極難題：Ocelot晶片或將帶來革命性突破

量子計算作為一種利用量子力學現象（如疊加和糾纏）進行運算的技術，一直以來都面臨著一個巨大的挑戰：由噪音和幹擾引起的錯誤。這些錯誤嚴重限制了量子計算機的實際應用潛力。然而，科學家們最近提出了一項突破性解決方案——一款名為Ocelot的新型晶片，它採用了一種特殊的量子位元（qubit）技術，稱為「貓量子位元」（cat qubit），能夠大幅減少錯誤率。

傳統的量子系統需要數以千計的額外量子位元來進行錯誤校正，但Ocelot晶片的出現可能將這一需求降低90%，從而讓我們更接近於實現實用且強大的量子計算機。這項研究由位於加州理工學院的AWS量子計算中心的科學家們主導，他們在減少量子計算機錯誤方面取得了重大進展。

量子計算機的運作基於量子力學的奇特原理，具有在醫學、材料科學、加密技術和基礎物理學等領域帶來革命性變革的潛力。然而，儘管它們在專業物理研究中展現了前景，但其對外部幹擾的極端敏感性（如振動、熱量、日常裝置的電磁幹擾，甚至宇宙射線）導致了頻繁的錯誤，使其可靠性遠低於傳統計算機。

在2月26日發表於《自然》期刊的論文中，AWS和加州理工學院的科學家團隊展示了一種新的量子晶片架構，該架構利用貓量子位元來抑制錯誤。貓量子位元的概念最早於2001年提出，經過多年的發展和改進，AWS團隊終於打造出首個可擴充套件的貓量子位元晶片——Ocelot。這款晶片不僅以斑點野貓命名，還暗示了其核心的振盪器技術。

加州理工學院應用物理與物理學教授、AWS量子硬體負責人Oskar Painter表示：「要讓量子計算機成功，我們需要將錯誤率降低到目前水平的十億分之一。雖然錯誤率每兩年下降約一半，但按照這個速度，我們需要70年才能達到目標。因此，我們正在開發一種新的晶片架構，希望能更快實現這一目標。不過，這只是早期的一步，我們還有許多工作要做。」

量子位元與傳統計算機中的位元類似，基於1和0的狀態，但量子位元可以同時處於1和0的疊加狀態。這種特性使得量子位元非常強大，但也極易受到量子錯誤的影響。Painter解釋道：「傳統的數位計算系統透過冗餘位元來處理錯誤，例如將一個位元的資訊複製到三個位元中，以便在一個位元出錯時進行校正。然而，由於量子位元的疊加特性，它們不僅可能出現位元翻轉錯誤，還可能出現相位翻轉錯誤，這使得錯誤校正變得更加複雜。」

目前，量子系統需要大量的額外量子位元來提供足夠的錯誤保護，這就像一家報社需要龐大的事實核查團隊來確保文章的準確性，而不是僅依靠一個小團隊。這種冗餘使得量子計算機的架構變得過於龐大且難以管理。

研究共同作者、加州理工學院理論物理學教授兼AWS應用科學總監Fernando Brandão表示：「我們正在長期探索如何建造一臺能夠完成即使是最強大的超級計算機也無法完成的任務的量子計算機，但擴充套件其規模是一個巨大的挑戰。因此，我們正在嘗試新的錯誤校正方法，以減少冗餘。」

Ocelot晶片的核心技術在於利用超導電路形成的貓量子位元，這些量子位元的1和0狀態被定義為兩種不同的大幅振盪。這種設計使得量子位元狀態非常穩定，不易受到位元翻轉錯誤的影響。Painter比喻道：「你可以將這兩種振盪狀態想像成一個盪鞦韆的孩子，無論風如何吹動，鞦韆的振幅都很大，因此不會輕易改變方向。」

貓量子位元的名稱源自於它們能夠同時處於兩種宏觀狀態，就像薛定諤的貓在思想實驗中同時處於生與死的狀態一樣。由於貓量子位元大幅減少了位元翻轉錯誤，研究人員只需專注於校正相位翻轉錯誤，這使得他們可以使用類似傳統系統中的重複碼來進行錯誤校正。

Brandão指出：「Ocelot晶片中的重複碼意味著我們不再需要那麼多量子位元來進行錯誤校正。我們已經展示了一種更具可擴充套件性的架構，能夠將錯誤校正所需的額外量子位元數量減少高達90%。」

Ocelot晶片結合了五個貓量子位元、特殊的緩衝電路來穩定其振盪，以及四個輔助量子位元來檢測相位錯誤。研究結果顯示，這種簡單的重複碼在捕捉相位翻轉錯誤方面非常有效，並且隨著量子位元數量的增加，其效能進一步提升。更重要的是，相位錯誤檢測過程在保持貓量子位元高位元翻轉錯誤抑制的同時進行。

儘管這項技術仍處於概念驗證階段，但Painter對Ocelot晶片的表現感到興奮，並表示團隊正在進行更多研究以擴充套件這項技術。他強調：「這是一個非常困難的問題，我們需要繼續投資於基礎研究，同時與學術界保持聯絡並從中學習。」

這項研究由AWS資助，並發表於《自然》期刊，標誌著量子計算領域的一大步進展。