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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，詳細介紹了未來量子計算機的新架構(gòu)，如果新架構(gòu)能得以實現(xiàn)，則將為糾錯設(shè)定新標準。

AWS云公司日前公布了容錯量子計算機新藍圖，盡管新藍圖仍是純理論性的，但新藍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確地進行計算。

這篇論文很可能會引起許多致力于改進量子糾錯（QEC）專家的注意，量子糾錯是個與量子計算同步發(fā)展的領(lǐng)域，旨在解決阻礙實現(xiàn)實用的大規(guī)模量子計算機的一些關(guān)鍵障礙。

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

量子計算機的構(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算機可以同時進行許多計算，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行的計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)量子比特何時出錯以及糾正錯誤的方法。

AWS量子計算中心研究科學(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。"

博文稱，"雖然錯誤率在不斷下降，但仍比能提供高保真算法運行所需的錯誤率高了許多個數(shù)量級。研究人員為了進一步降低錯誤率需要用到其他一些補充方法（如QEC），以達到在物理層面降低門錯誤率的目的。"

量子糾錯可以用不同的方法。傳統(tǒng)的方法名為主動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誤的一個量子比特并恢復(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QEC產(chǎn)生的硬件開銷很大，因為每個邏輯量子比特的編碼需要許多物理量子比特，因此要構(gòu)建一個由大規(guī)模量子比特電路組成的通用量子計算機就十分地困難。

另一種方法是被動QEC，被動QEC側(cè)重于設(shè)計一個具有固有抗錯穩(wěn)定性的物理計算系統(tǒng)。雖然圍繞被動QEC的許多工作仍處于實驗階段，但該方法旨在建立固有的容錯性，從而可以加速構(gòu)建具有大規(guī)模量子比特的量子計算機。

根據(jù)發(fā)布的新藍圖，AWS的研究人員會結(jié)合主動和被動QEC打造一款理論上可以達到更高的精度水平的量子計算機。其架構(gòu)提出了一個基于 "貓態(tài) "（cat states）的系統(tǒng)，貓態(tài)是被動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)計可以減少比特比特反轉(zhuǎn)錯誤，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。但為了進一步保護量子比特不受其他類型錯誤的影響，研究人員提出將被動QEC與已知的主動QEC技術(shù)結(jié)合起來用。

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

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

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

不過，在研究人員提出的這個理論架構(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)在之前的概念驗證實驗中是在實驗室里展示的，但尚未進入實用規(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也在為量子計算做好準備。

IBM最近公布了一個路線圖，目標是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，當時是個大新聞。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)商的計算機進行實驗。不過，亞馬遜尚有待打造自己的量子計算機。