又一科技巨头发布量子芯片！纠错成本暴降90%，登Nature

智东西
编译 徐豫
编辑 云鹏

继谷歌、IBM、英特尔、微软等科技大厂之后，AWS也有自研的量子计算芯片了。

智东西2月28日报道，AWS（亚马逊云科技）昨夜发布了其首款量子计算芯片Ocelot，该芯片可降低超9成的量子误差纠正所需成本，有助于做出更小、更可靠且成本更低的量子计算机，从而加速实际量子计算应用的开发。

Ocelot由加州理工学院 AWS 量子计算中心的团队开发，现已在AWS的量子计算服务平台Amazon Braket上开放使用。其采用了一种全新的架构设计，从源头内置了误差纠正机制，并引入了“猫量子比特”（cat qubit）技术。其中，“猫量子比特”这一名称取自经典的薛定谔猫思想实验。该技术能够从本质上抑制某些错误，以大幅减少实现量子误差纠正所需的资源。

AWS的研究人员首次将猫量子比特技术与其他量子误差纠正组件，整合到一枚可利用微电子工艺大规模生产的微芯片上，即Ocelot。与过去的方法相比，Ocelot可将实现量子误差纠正的成本降低不止90%。这标志着AWS在构建实用容错量子计算机方面取得了一项重大突破。

Ocelot是一款原型量子计算芯片，其中“原型”是指该芯片处于测试和研发阶段，旨在测试AWS量子误差纠正架构的有效性。

Ocelot原型量子计算芯片的核心技术和元件如下：

1、芯片构成：它由两枚集成硅微芯片构成，每枚芯片面积约1平方厘米，两者通过电气连接叠加成一块芯片堆；

2、表面结构：每枚芯片表面覆盖有构成量子电路元件的薄层超导材料；

3、核心组件：Ocelot芯片由14个核心组件构成，包括5个数据量子比特（指猫量子比特）、5个用于稳定数据量子比特的“缓冲电路”（buffer circuits），以及4个用于检测数据量子比特错误的额外量子比特；

4、猫量子比特：猫量子比特用于存储计算中使用的量子态，其工作依赖于一种称为振荡器（oscillator）的组件，后者会产生具有稳定时序的重复电信号；

5、振荡器材料：Ocelot的振荡器由一种名为钽（Tantalum）的超导材料薄膜制造，通过AWS自研技术处理后可大幅提升振荡器性能。

其中，猫量子比特利用具有确定振幅和相位的类似经典状态的量子叠加来编码一个量子比特的信息。在Peter Shor于1995年发表其开创性论文后不久，有研究人员便开始研究基于猫量子比特的替代纠错方案。

猫量子比特的一大优势在于其天然对比特翻转（bit-flip）错误具有保护作用。比特翻转指的是一个比特的状态从0错误地变为1，或者从1错误地变为0，这种错误通常由硬件故障、噪声、干扰或其他外部因素引起。通过增加振荡器中的光子数量，可以使比特翻转错误率呈指数级降低。

这意味着，与增加量子比特数量相比，研究人员可以简单地增加振荡器的能量，从而大幅提升纠错效率。

过去十年中，许多开创性实验体现出猫量子比特的潜力。然而，这些实验大多集中于单个猫量子比特的演示，尚未解决猫量子比特能否集成到可扩展架构中的问题。而AWS的Ocelot完成了猫量子比特和可扩展架构的融合。

在AWS量子硬件主管Oskar Painter看来，量子计算机当前最大的问题不仅在于构建更多的量子比特，而在于让它们能够稳定可靠地工作。

量子计算机面临的最大挑战之一，是它们通常对环境中极微小的变化，又名“噪声”（noise）异常敏感。振动、热量、来自手机和WiFi网络的电磁干扰，亦或是宇宙射线和来自外太空的辐射，都可能使量子比特偏离其量子态，从而引发计算错误。这也使得制造能够执行大规模、可靠且无误差计算的量子计算机变得极为困难。

正是为了解决这一问题，量子计算机领域衍生出了量子误差纠正技术。该技术通过在多个量子比特之间采用特殊的编码方式，以“逻辑量子比特”（logical qubit）的形式来保护量子信息免受环境干扰，同时还能在错误发生时进一步检测和纠正。

不过，由于实现准确计算所需的量子比特数量巨大，现有的量子误差纠正方法成本极高。

Painter说道：“我们观察了他人如何处理量子误差纠正，并决定走一条不同的道路。”AWS没有采用现有架构后再试图添加误差纠正的方式，而是将量子误差纠正作为首要考虑条件，来选择其量子比特和架构。Painter相信，如果要生产出实用的量子计算机，量子误差纠正必须放在首位。

此外，据Painter的团队估计，将Ocelot量子计算芯片扩展为一台“能够对社会产生变革性影响的成熟量子计算机”，所需资源仅为标准量子误差纠正方法的十分之一。这一成本的大幅降低，得益于AWS的多项技术突破。

基于超导量子电路，Ocelot在以下3个大方面取得了重大的技术突破：

1、首次实现了用于玻色子纠错（bosonic error correction）的可扩展架构，超越了传统量子比特方案在降低纠错开销方面的局限，玻色子纠错是一种利用玻色子（如光子）的量子态进行量子信息编码和纠错的方法，猫量子比特正是玻色子纠错的一种重要实现方式；

2、首次实现了噪声偏置门（noise-biased gate），这是解锁构建具有硬件高效性且可扩展、具有商业应用前景的量子计算机所必需的关键技术，其通过设计特殊的量子门操作，使得噪声主要表现为一种类型的错误（如相位翻转），而不是随机的多种错误类型，从而让偏置噪声更容易被纠错码检测和纠正；

3、实现了超导量子比特（superconducting qubit）的最先进性能，其比特翻转（bit-flip）时间不到1秒，同时相位翻转（phase-flip）时间约为20微秒。

日前，Ocelot及其量子纠错性能的测量结果，以及相关研究成果已在国际科学顶刊Nature上发表。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08642-7

研究报告中提到，Ocelot利用芯片级集成的猫量子比特，构建了一种可扩展且硬件高效的量子纠错架构。这种方案有3大优势：

1、在物理量子比特层面，比特翻转错误得到了指数级抑制；

2、采用了重复码（repetition code）来纠正相位翻转错误，这也是最简单的经典纠错码，其通过多次重复原始信息来实现纠错；

3、其通过在每个猫量子比特与辅助跨谐振荡（transmon）量子比特之间实现高度噪声偏置的受控非门（noise-biased controlled-NOT gates，其中controlled-NOT简称C-NOT），实现了在保持猫量子比特对比特翻转保护的同时，进行相位翻转错误检测。

针对噪声偏置的专用码，如Ocelot中使用的重复码，能够显著减少所需物理量子比特的数量。同时，也是在该论文中，AWS团队发现了与物理量子比特错误率相近的常规表面码方法相比，Ocelot的扩展有望将量子纠错成本降低9成。

Painter认为，随着量子研究的最新进展，实际可用的容错量子计算机何时能应用于现实世界，已不再是“是否”的问题，而是“何时”的问题，Ocelot则是这一进程中的重要一步。

他解释道，未来，基于Ocelot架构构建的量子芯片，由于大幅减少了误差纠正所需的资源，其成本可能仅为现有方法的五分之一。具体来说，AWS相信这将使其开发出实用量子计算机的时间点，至多会提前5年。

AWS方面透露将继续投资于量子研究并不断改进其方法，并正在开发新一代Ocelot，将借助组件性能提升和重复码距离的增加，来使逻辑错误率按预期指数级下降。Painter说：“我们才刚刚起步，未来还将经历多个扩展阶段。这是一个极其艰巨的挑战，我们需要持续投入基础研究，同时与学术界的重要成果保持联系，并不断学习。”

结语：量子计算领域独家技术涌现，材料和架构创新

AWS和微软都在本月公布了各自在量子计算领域的最新成果，推动了实用量子计算技术的发展，例如加快药物发现与开发、新材料的生产，以及在金融市场上更精准地预测风险和制定投资策略等。

落地量子计算的实际应用需要依赖拥有数十亿个量子门（量子计算机的基本运算单元）的复杂量子算法。而目前的量子计算机对环境噪声极其敏感，现有的最佳量子硬件最多只能准确运行约一千个量子门。

对此，两家此轮采取的技术路线各有千秋，AWS主攻架构，微软则主攻材料。AWS的Ocelot创新了猫量子比特的芯片级集成架构，以降低量子计算机的错误率；而微软的Majorana 1通过应用“拓扑导体”（topoconductor）这种全新材料来解决这一痛点。

来源：AWS、Nature