亚马逊入局量子芯片

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亚马逊网络服务公司今天发布了其首款量子计算芯片，并表示 它代表了第一代实现卓越纠错能力的硬件，这一障碍使得该技术的扩展变得困难。

该公司表示，新处理器名为 Ocelot，与现有方法相比，可将实现量子纠错的成本降低高达 90%。

AWS 使用了一种专门的架构，该公司使用所谓的“cat qubit”从头开始构建该架构。AWS量子计算中心的亚马逊研究人员最初于 2021 年提出了这种方法，最近在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了这种纠错技术，该技术以著名的薛定谔猫思想实验命名 。

在量子计算机中，量子比特是用于计算的基本信息单位，相当于传统计算中使用的表示 1 或 0 的位 - 但它可以同时存在于多个状态。这使得量子计算机能够极快地执行计算。问题是物理量子比特极其脆弱，可能会受到外部干扰（如电磁辐射、热量甚至微小振动）的影响，从而导致噪音和错误。

Cat qubit的工作原理是，通过使用称为振荡器的组件来存储用于计算的量子态，振荡器会产生具有稳定时序的重复电信号。该信号用于防止一种难以在硬件中纠正的错误，即相移错误。该芯片的高质量振荡器由一种称为钽的超导材料薄膜制成。

AWS 量子硬件总监 Oskar Painter 表示：“随着量子研究的最新进展，容错量子计算机将不再是‘是否’的问题，而是何时可以投入实际应用的问题。Ocelot 是这一旅程中的重要一步。”

Ocelot 是 AWS 为测试该架构方法的有效性而创建的小型原型。亚马逊表示，该架构可能需要数年时间才能准备好公开发布。目前，该公司打算继续进行研究，并将其作为进一步开发的基础。

“我们才刚刚起步，我们相信我们还有更多扩展阶段要经历，”Painter 说道。“目前，我们的任务是继续创新整个量子计算堆栈，继续检查我们是否使用了正确的架构，并将这些学习成果融入我们的工程工作中。这是一个持续改进和扩展的飞轮。”

Quantum Circuits Inc.联合创始人兼首席科学家 Rob Schoelkopf 在一封电子邮件中告诉 SiliconANGLE，检测和纠正量子计算中的错误是量子计算中需要克服的重要挑战。“AWS 在其科学研究中展示了令人信服的结果，突显了更高效的纠错是确保可行的量子计算的关键，”他说。“这种方法将支持他们的新 Ocelot 芯片，这是探索和准备未来路线图的重要一步。”

Ocelot 发布前不久，微软公司刚刚发布了其量子计算芯片Majorana 1，这是一款八量子比特芯片，微软称这也是业界的一项突破。微软的这款芯片于上周发布，由名为 Majorana 费米子的准粒子驱动，这些准粒子充当自己的反粒子，为计算提供量子态。

量子计算有望帮助解决现实世界中传统系统难以解决的复杂应用，例如加快药物发现和开发速度、协助生产新材料以及对投资策略做出准确预测。

Ocelot的更多解读

AWS 量子硬件主管 Oskar Painter 表示：“我们认为，如果要制造实用的量子计算机，量子纠错必须放在首位。这就是我们对 Ocelot 所做的。我们没有采用现有架构，然后再尝试整合纠错。我们选择量子比特和架构时，将量子纠错作为首要要求。”

Ocelot：速览（来自 AWS）

Ocelot 是一款小型原型芯片，旨在测试 AWS 量子纠错架构的有效性；

它由两块集成硅微芯片组成。每块芯片面积约为 1平方厘米。它们以电连接芯片堆栈的形式相互粘合在一起；

每个硅微芯片的表面都有薄层超导材料，构成量子电路元件；

Ocelot 的电路由 14 个核心组件组成：5 个数据量子位（cat qubits）、5 个用于稳定数据量子位的“缓冲电路”和 4 个用于检测数据量子位上的错误的附加量子位；

cat qubits存储用于计算的量子态。为此，它们依靠称为振荡器的组件，振荡器可产生具有稳定时序的重复电信号；

Ocelot 的高品质振荡器由超导钽薄膜制成。AWS材料科学家开发了一种在硅芯片上处理钽的特殊方法，以提高振荡器的性能；

AWS 的公告紧随微软上周宣布其首款量子芯片 (Majorana 1) 之后。去年 12 月，谷歌推出了其最新的量子设备 (Willow)。现在，这三家云/技术巨头都已命名了量子设备。也许并不奇怪，最近推出的三款芯片都专注于先进的纠错方案。

微软称其新推出的 Majorana 1 芯片为“世界上第一个拓扑导体，这是一种突破性的材料，可以观察和控制 Majorana 粒子，从而产生更可靠、更可扩展的量子比特。”如果可以实现，这种拓扑量子比特具有明显的优势。业界对此进行了大量的反击，但微软坚持自己的工作和《自然》 杂志的论文。

谷歌于 12 月推出了其最新的量子芯片 Willow，声称它已经突破了量子纠错阈值，这是构建大规模量子计算机所必需的关键指标。这项工作在《自然》 杂志的一篇随附论文《表面代码阈值以下的量子纠错》中进行了详细介绍。

实现有效的量子纠错（QEC）一直是量子产业几年来的主要口号。

在介绍 Ocelot 的 AWS 博客中，该公司量子应用总监 Fernando Brandão 和 Painter 描述了一般的 QEC 挑战，“传统的量子纠错方法，例如使用表面纠错码的方法，目前需要每个逻辑量子位数千个（如果我们非常非常努力，将来可能达到数百个）物理量子位才能达到所需的错误率。这意味着商业相关的量子计算机将需要数百万个物理量子位——比当前硬件的量子位数高出许多个数量级。”

人们正在探索各种各样的方法（猫量子比特就是其中之一），以避免或至少大大减少 Brandão 和 Painter 所描述的蛮力、量子比特冗余要求。亚马逊报告称，其基于猫量子比特的方法“所需的 资源将仅为常见 [量子纠错] 方法的十分之一”。

那么cat qubits是什么？

它为什么重要？

抱歉，这段摘录自 Brandão 和 Painters 博客，太长了，但与其乱七八糟地描述，不如直接引用他们关于猫量子比特基础知识的相当清晰易懂的描述。最后一段是妙语：

“自然界中的量子系统可能比量子比特更复杂，量子比特仅由两个量子态组成（通常标记为0和1，类似于经典数字比特）。以简单的谐振子为例，它以明确的频率振荡。谐振子有各种各样的形状和大小，从用于在播放音乐时保持时间的机械节拍器到用于雷达和通信系统的微波电磁振荡器。

“从经典角度看，振荡器的状态可以用其振荡的振幅和相位来表示。从量子力学角度看，情况类似，尽管振幅和相位永远不会同时完美定义，并且与系统中添加的每个能量量子相关的振幅都存在潜在的颗粒感。

“这些能量量子就是所谓的玻色子粒子，其中最著名的是光子，与电磁场有关。我们向系统中注入的能量越多，我们创造的玻色子（光子）就越多，我们可以访问的振荡器状态（振幅）就越多。玻色子量子误差校正依赖于玻色子 而不是简单的双态量子比特系统，它使用这些额外的振荡器状态更有效地保护量子信息免受环境噪声的影响，并进行更高效的误差校正。

“一种玻色子量子纠错使用所谓的cat qubits，以埃尔温·薛定谔著名思想实验中的死/活薛定谔猫命名。cat qubits使用具有明确振幅和相位的类经典状态的量子叠加来编码量子比特的信息。就在彼得·肖尔 1995 年发表关于量子纠错的开创性论文几年后，研究人员开始悄悄开发一种基cat qubits的纠错替代方法。

“cat qubits的主要优势在于其固有的防位翻转错误保护。增加振荡器中的光子数量可以使位翻转错误的发生率呈指数级减小。这意味着我们无需增加量子比特数，只需增加振荡器的能量，即可使纠错效率大大提高。”

与往常一样，最好直接从论文中获取详细信息。（摘要包含在文章末尾）。总的来说，AWS 表示，它已成功实施超导cat qubits抵抗翻转误差，结合传统 QEC 代码技术来减轻相位误差，并（结合辅助 transmon 量子比特）基于五个cat qubits创建了一个逻辑量子比特。

Ocelot 逻辑量子比特存储芯片（如上图所示）由五个 cat qubits组成，每个量子比特都包含一个用于存储量子数据的振荡器。每个 cat qubits的存储振荡器都连接到两个辅助 transmon 量子比特，用于相位翻转误差检测，并与一个特殊的非线性缓冲电路配对，用于稳定 cat 量子比特状态并指数级抑制比特翻转误差。

调整 Ocelot 设备涉及根据cat amplitude（平均光子数）校准猫量子位的位和相位翻转错误率，并优化用于相位翻转错误检测的 C-NOT 门的噪声偏差。

“我们的实验结果表明，我们可以实现接近一秒的位翻转时间，比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。至关重要的是，这可以通过小至四个光子的cat amplitude来实现，使我们能够保持数十微秒的相位翻转时间，足以进行量子纠错。从那里，我们运行一系列纠错周期来测试电路作为逻辑量子比特存储器的性能。为了表征重复代码的性能和架构的可扩展性，我们研究了 Ocelot cat 量子比特的子集，代表不同的重复代码长度，”Brandão 和 Painters 在博客中写道。

当然，cat qubits并不新鲜，多年来一直是学术界和工业界的活跃研究领域。也许最出名的是总部位于巴黎的 Alice and Bob 公司，该公司一直倡导cat qubits技术，去年报告成功演示了cat qubits并发布了路线图。

在回复电子邮件问题时，AWS 拒绝分享其路线图，但对后续步骤提供了以下答案：

进一步发展面临的主要技术障碍是什么？“我们的目标是扩大逻辑量子比特的规模，同时提高其各个组件的性能，以实现比最先进水平低 9 个数量级的逻辑错误率。这将需要在材料方面进行创新，以提高组件的性能，并在整个堆栈的其余部分（从制造和设计到校准）进行进一步的大规模扩展。”

扩展的方法是什么（例如多个芯片）？“虽然 Ocelot 是采用单芯片构建的，但我们预计未来版本将采用多芯片方法来帮助扩展。”

下一步和里程碑是什么？“在未来几年，我们将系统地降低逻辑错误率，直到达到运行有用的量子应用程序所需的水平（比最先进的水平低 9 个数量级）。我们还将在多个逻辑量子位之间实现逻辑门，最终实现一台能为社会带来价值的纠错量子计算机。”

值得记住的是，Oceleot 仍然是一种研究设备，而 AWS 并没有另行声明。

佩恩特指出，还有更多工作要做：“我们相信我们还有更多扩展阶段要经历，还有许多工程挑战需要克服。这是一个非常难以解决的问题，我们需要继续投资基础研究，同时与学术界正在进行的重要工作保持联系并从中学习。目前，我们的任务是继续在量子计算堆栈中进行创新，继续检查我们是否使用了正确的架构，并将这些学习成果融入我们的工程工作中。这是一个持续改进和扩展的飞轮。”

为了解决实际问题，量子计算机可能需要结合量子纠错，即逻辑量子比特被冗余编码在许多嘈杂的物理量子比特中。通常与纠错相关的大量物理量子比特开销促使人们寻找更高效的硬件方法。在这里，我们使用微加工的超导量子电路，实现了由编码的玻色子猫量子比特与距离为 d = 5 的外部重复码连接形成的逻辑量子比特存储器。使用稳定电路被动保护玻色子猫量子比特免受比特翻转的影响。cat qubits相位翻转误差由重复码纠正，该重复码使用辅助传输器进行综合征测量。

我们实现了噪声偏置 CX 门，可确保在纠错期间保持位翻转错误抑制。我们研究了逻辑量子位存储器的性能和扩展性，发现相位翻转校正重复代码在阈值以下运行，逻辑相位翻转错误随着代码距离从 d= 3 到 d= 5 而减小。同时，随着 cat-qubit 平均光子数的增加，逻辑位翻转错误得到抑制。距离为 3 的代码部分每周期测量到的最小逻辑错误平均为 1.75(2)%，距离为 5 的代码部分每周期测量到的最小逻辑错误平均为 1.65(3)%，证明了在整个纠错周期中位翻转错误抑制的有效性。这些结果表明，玻色子编码的固有错误抑制使我们能够使用硬件高效的外部纠错码，表明级联玻色子码是实现容错量子计算的有力范例。

参考链接

https://siliconangle.com/2025/02/27/amazon-debuts-first-quantum-chip-ocelot-novel-architecture/

https://www.hpcwire.com/2025/02/27/amazon-introduces-quantum-chip-ocelot-based-on-cat-qubits/

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