由AWS開發(fā)和制造的包裝組件中的超導量子芯片（圖片來源：網(wǎng)絡）

作為一項尖端技術，量子計算能提供前所未有的計算能力。

美國亞馬遜云科技（AWS）近期推出了一款量子芯片，展示出該技術取得了重大飛躍。

在拉斯維加斯舉行的AWS re:Invent全球云計算大會上，AWS實用計算產品高級副總裁Peter Desantis發(fā)表了主題演講，他表示：“這是一款完全由我們的AWS量子團隊制造的定制芯片?！?

DeSantis認為，這款芯片是研究容錯量子計算機道路上的一個重要里程碑。他說：“我們已經成功運用被動糾錯方法將錯誤降低到原來的1/100?！?/p>

AWS 實用計算產品高級副總裁 Peter Desantis（圖片來源：網(wǎng)絡）

從晶體管到量子比特

傳統(tǒng)計算機依賴于使用0和1表示的二進制，并用晶體管來存儲和處理信息。相比之下，量子計算機則利用量子比特（如電子或光子）進行信息存儲和處理。不同于經典比特，量子比特能夠以疊加態(tài)的形式存在，使得0和1可以同時組合。這種疊加態(tài)再加上量子糾纏的特性，使得量子計算機能以指數(shù)級的速度執(zhí)行復雜計算。 由于量子比特的獨特性，量子計算機具備徹底改變各行業(yè)技術的巨大潛力，并推動農業(yè)、可再生能源等領域發(fā)展。

糾錯：一項關鍵挑戰(zhàn)

各類計算機（包括量子計算機），都偶爾會出現(xiàn)錯誤。經典計算機通過糾錯技術（例如 ECC 存儲器）來防止“位翻轉”（0到1或相反）情況的發(fā)生。 然而，由于量子計算機對環(huán)境噪聲固有的敏感性，它們面臨著更大的挑戰(zhàn)。量子比特在二維空 間中會出現(xiàn)兩種情況：位翻轉和相位翻轉（就好像量子比特突然開始向相反方向旋轉一樣，這可能會導致量子計算不準確）。為了減輕相位翻轉誤差的影響，人們采用了量子糾錯技術。這些技術涉及在多個量子比特中編碼信息，從而檢測和糾正相位翻轉錯誤。

需要降低錯誤率

在過去的15年里，人們在降低量子比特錯誤率方面取得了重大進展。 從每10次量子操作出錯一次，降低到每1000次操作出錯一次，錯誤率降至原先的1/100。 盡管取得了這一顯著進步，量子比特仍含有較多噪聲，無法用于解決實際復雜問題。

量子糾錯：一種潛在的解決方案

針對含噪聲量子比特這一挑戰(zhàn)，研究人員已經開發(fā)出多種量子糾錯技術。 例如，將一個物理量子比特編碼為一個邏輯量子比特，以降低錯誤率。 然而，由于目前量子比特的錯誤率較高，需要大量物理量子比特才能構造出一個邏輯量子比特。如果按照當前的錯誤率0.1%來計算，每個邏輯量子比特都需要數(shù)千個物理量子比特。這表明人們需要進一步降低量子比特的錯誤率，以提高量子糾錯的效率和可擴展性。

徹底改變糾錯

AWS量子計算團隊在開發(fā)量子芯片方面取得了重大突破，該芯片可以更有效地應對糾錯挑 戰(zhàn)。 這款定制的芯片采用了一種獨特的糾錯方法，即分離位翻轉和相位翻轉。

通過采用被動糾錯方法，該芯片已成功地將位翻轉錯誤降低至原先的1/100或1/99。

主動糾錯只需要關注相位翻轉誤差即可，從而顯著提高了量子糾錯的效率。

硬件效率的進步

盡管容錯量子計算機仍處于早期階 段，但此次量子芯片的開發(fā)標志著人們在該領域向前邁出了重要的一步。DeSantis表示，通過提高硬件效率和可擴展性，這一原型芯片的實驗結果展示了其在實現(xiàn)量子糾錯方面的潛力，相比標準方法，其效率提高了6倍。 2019年，AWS在美國加州理工學院的校園里建立了一個量子計算中心——Richard Feynman曾在20世紀80年代于此處首次提出了建造量子計算機的概念，并意識到經典計算機在模擬量子現(xiàn)象方面的局限性，F(xiàn)eynman設想運用量子本身來克服這些難題。十年后，數(shù)學家Peter·Shor發(fā)現(xiàn)了一種分解質因數(shù)的量子算法。他所發(fā)明的Shor算法相較于經典算法能進行指數(shù)級加速，展示了量子計算機在解決除模擬量子世界之外的問題上的巨大潛力。

走出實驗室：構建量子系統(tǒng)

在接下來的幾年里，物理學家們開始在實驗室環(huán)境中探索由兩個相互作用的量子比特組成的小型量子系統(tǒng)。當科學家們成功地掌握了如何在與經典計算機相同的電路上生成量子比特時，這一重大突破也標志著研發(fā)實用且可靠的量子計算機的競賽拉開了序幕。 目前，量子計算機已經擁有了數(shù)百甚至數(shù)千個量子比特，然而在它們能真正改變世界之前，還需克服一些重大挑戰(zhàn)。

量子創(chuàng)新的未來

AWS的突破性量子芯片極有可能標志著量子創(chuàng)新時代的開始。

在糾錯和硬件效率方面取得的進展，使量子計算機距離解決前所未有的復雜問題更近一步。

編譯：琳夢

編輯：慕一

特此說明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點與數(shù)據(jù)。