AWS推出「Ocelot」量子處理器：受薛丁格的貓啟發，革命性降低錯誤率

Amazon Web Services (AWS)近日發布了一款名為「Ocelot」的量子處理器原型，這款晶片是全球首個搭載抗錯誤「貓量子位元」（cat qubits）的量子計算晶片。貓量子位元的設計靈感來自著名的薛丁格貓思想實驗，旨在解決量子計算中的錯誤問題，並隨著量子位元數量的增加，以指數級降低錯誤率。科學家們認為，這將為可擴充套件且高效的量子計算機鋪平道路。

「Ocelot」量子處理器包含五個用於儲存資訊的資料量子位元（貓量子位元）、五個由超導材料鉭製成的緩衝電路，以及四個用於檢測資料處理過程中錯誤的額外量子位元。這些內部元件分佈在兩個矽微晶片上，每個晶片的面積僅約0.16平方英寸（1平方釐米），使得整個裝置小到可以放在指尖上。這種新架構顯著降低了量子計算機中自然發生的錯誤所需的成本和能源，這一直是科學家們努力解決的挑戰。

量子位元天生具有「噪聲」特性，這意味著它們對振動、熱量、電磁幹擾和宇宙輻射等外部幹擾非常敏感，因此比傳統位元更容易出錯。傳統位元的錯誤率為1萬億分之一，而量子位元的錯誤率約為千分之一。這種高錯誤率常常導致量子計算中的疊加態崩潰，進而使計算失敗。量子計算中的錯誤主要分為兩種：位元翻轉錯誤（0變1或1變0）和相位翻轉錯誤（量子位元在垂直軸上旋轉180度）。位元翻轉錯誤影響傳統位元和量子位元，而相位翻轉錯誤僅影響量子位元。因此，量子系統中的錯誤校正需要比傳統計算更多的資源。

科學家們指出，量子計算機需要數百萬個量子位元才能接近實現「量子霸權」，但這在物理空間、能源和資源方面都是不可行的。因此，目前的研究重點是開發與錯誤校正技術相結合的可靠量子位元。現有的主流錯誤校正方法是「邏輯量子位元」，即由多個物理量子位元組成，以分散故障點。然而，AWS的研究人員表示，若沒有硬體的進一步改進，這種方法將需要數千個物理量子位元來形成一個低錯誤率的邏輯量子位元，成本極高。

「Ocelot」採用了法國新創公司Alice & Bob開發的貓量子位元設計。與IBM和Google等公司使用的傳統超導量子位元不同，貓量子位元能夠同時實現兩個量子態的雙重疊加。這種設計使其天生具有抗位元翻轉錯誤的能力。貓量子位元利用經典態的量子疊加來編碼資訊，並使用玻色子（特別是光子）來儲存資料。隨著系統能量的增加，光子數量也會增加，從而更好地保護量子資訊。科學家們指出，增加振盪器中的光子數量可以指數級降低位元翻轉錯誤率，這意味著降低錯誤率不需要增加量子位元數量，而是需要增加振盪器的能量。

在最新的研究中，科學家們展示了「Ocelot」的測量結果，顯示位元翻轉錯誤在物理量子位元層面上被指數級抑制，而相位翻轉錯誤則透過最簡單的重複碼進行校正。研究結果顯示，位元翻轉時間接近1秒，比傳統超導量子位元的壽命長約1000倍。科學家們估計，使用「Ocelot」架構，未來的量子計算機只需標準量子錯誤校正方法所需資源的十分之一，即可實現「對社會產生變革性影響」的目標。

研究共同作者、加州理工學院理論物理學教授Fernando Brandão和應用物理學教授Oskar Painter表示：「未來的『Ocelot』版本將進一步降低邏輯錯誤率，這得益於元件效能的提升和程式碼距離的增加。我們相信，『Ocelot』的架構及其高效的錯誤校正方法，將為我們應對量子計算的下一個階段——如何擴充套件——提供良好的基礎。」