Alice&Bob公司是一家使用cat量子比特制造容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的公司。近日，Alice&Bob的CEO兼聯(lián)合創(chuàng)始人Théau Peronnin（以下簡(jiǎn)稱T）接受了記者Yuval Boger（以下簡(jiǎn)稱Y）的采訪，他倆對(duì)“貓態(tài)量子比特”是什么、為什么可以防止位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤、利用這些新計(jì)算機(jī)所需的軟件類型等問題進(jìn)行了討論。

Y：請(qǐng)先向大家自我介紹一下。

T：我是Théau Peronnin，Alice&Bob的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人。我們正在構(gòu)建一個(gè)通用型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，致力于將其算力商業(yè)化。

Y：很多公司都有構(gòu)建通用型容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，您的技術(shù)有何獨(dú)特之處？

T：在Alice&Bob，我們正在使用著名的超導(dǎo)電路平臺(tái)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。但在超導(dǎo)這一子領(lǐng)域內(nèi)，我們是一個(gè)風(fēng)格迥異的參與者。我們使用的是“貓態(tài)量子比特”，這是一種特殊的超導(dǎo)量子比特。理論上，“貓態(tài)量子比特”可以更穩(wěn)定，防止位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤?？梢岳眠@種特性來設(shè)計(jì)一種完全容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，它具有更簡(jiǎn)單、更少的冗余和開銷的特征。所以它確實(shí)是一種容錯(cuò)的“快車道”。

Y：在我們介紹技術(shù)細(xì)節(jié)之前，您提到了“快車道”。這個(gè)“快車道”有多快？您希望什么時(shí)候擁有能對(duì)這些常見位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤具備容錯(cuò)能力的計(jì)算機(jī)？

T：Alice&Bob目前的目標(biāo)是交付第一個(gè)邏輯量子比特，至少在明年展示它的所有關(guān)鍵部件。所以它的進(jìn)展很快。那將證明我們可以糾正位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。而現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是糾正剩余的相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。在量子計(jì)算中有兩類錯(cuò)誤：位翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)，糾正它們同樣重要。我們面臨的真正挑戰(zhàn)是真正擺脫退相干。要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)以使其保持量子態(tài)，并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持相干。我們的目標(biāo)是明年實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。此后根據(jù)我們的能力，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模，并從這些基本模塊中設(shè)計(jì)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

Y：您能否給我們科普一下什么是“貓態(tài)”，什么是“貓態(tài)量子比特”？

T：“貓態(tài)”是以薛定諤的貓的思想實(shí)驗(yàn)命名的。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)非常有趣，說明計(jì)算有點(diǎn)脫離現(xiàn)實(shí)。在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)盒子，在里面放了一只貓，有一些特殊的技巧，可以將放射性原子連接到一個(gè)機(jī)關(guān)上，該機(jī)機(jī)關(guān)如果檢測(cè)到原子發(fā)生了放射性衰變，就會(huì)觸發(fā)毒藥，從而殺死里面的貓。但是在理論上，該原子是一個(gè)量子化的粒子，處于衰變和未衰變的疊加態(tài)中。這就意味著這只貓——宏觀的生物體——處于疊加態(tài)。顯然這只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，不是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中所做的。

在我們實(shí)驗(yàn)室里沒有貓受到傷害。我們所擁有的是諧振子中的“貓態(tài)”。更簡(jiǎn)單地說就是一個(gè)諧波振蕩器，就像一個(gè)鐘擺一樣，處于兩種經(jīng)典狀態(tài)的疊加中。通常具有明確定義的相位和振幅的狀態(tài)被稱為諧振子的相干態(tài)。因此，一個(gè)超導(dǎo)的“貓態(tài)量子比特”簡(jiǎn)單來說只是一個(gè)諧振器，就是一個(gè)芯片上的天線，在那里有兩個(gè)振幅相同但相位相反的電磁波的疊加。嚴(yán)格來說這就是一種“貓態(tài)”，因此得名“貓態(tài)量子比特”。

Y：為什么“貓態(tài)量子比特”更容易糾正這些錯(cuò)誤呢？

T：大約十年前我們所在的巴黎研究群體取得了突破，我們意識(shí)到這些“貓態(tài)”實(shí)際上是可以穩(wěn)定存在的。它們可以通過精心設(shè)計(jì)的耗散來穩(wěn)定下來，一些奇異的耗散可以與環(huán)境兩個(gè)兩個(gè)地交換光子，所以，在理論上存在通過成對(duì)的光子與環(huán)境交換能量的諧振器。但這種狀態(tài)在自然界中并不存在，必須要人工制備。當(dāng)我們這樣做時(shí)，可以通過遍歷整個(gè)圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)如果“貓態(tài)量子比特”從這兩種相干狀態(tài)之一開始時(shí)，或者說，一個(gè)給定的相位或一個(gè)振幅開始。此時(shí)變換到相反的相位是具有指數(shù)難度，因?yàn)檫@么做意味著使“貓態(tài)量子比特”在其布洛赫球上做一個(gè)位翻轉(zhuǎn)。

因此，從某種意義上說，這確實(shí)是范式的轉(zhuǎn)變：業(yè)內(nèi)大多數(shù)量子計(jì)算參與者都試圖盡可能的將他們的量子比特與環(huán)境隔離開，而我們Alice&Bob是嘗試將量子比特盡可能多地耦合到環(huán)境中。但是這需要通過一個(gè)非常明確的能夠交換能量的通道，不斷地補(bǔ)充諧振器的能量同時(shí)不交換信息，因此不會(huì)引起退相干。這確實(shí)是我們?cè)贏lice&Bob追求的技巧。

Y：所以你的量子比特不同于常規(guī)超導(dǎo)量子比特。那么它們采用哪種門進(jìn)行計(jì)算？都有哪些單量子比特或雙量子比特門？它們是否也有很大的不同？

T：“貓態(tài)量子比特”的門操作將變得更加棘手。所以我之前描述的是“偏置噪聲量子比特”，意思是位翻轉(zhuǎn)很少但相位翻轉(zhuǎn)很多的量子比特。在這個(gè)意義上，它有一個(gè)偏好噪音。而我們Alice&Bob糾錯(cuò)的思路是通過冗余來糾正剩余的相位翻轉(zhuǎn)。因此，這意味著糾錯(cuò)碼將是一個(gè)簡(jiǎn)單的一維糾錯(cuò)碼，僅用于糾正剩余的相位翻轉(zhuǎn)。但必須能假設(shè)沒有在混合中引入任何位翻轉(zhuǎn)?；氐侥愕膯栴}，這意味著你將在物理層面上做的所有門操作都必須保留這種噪聲偏好。

這些操作不應(yīng)該引入一些新的不可糾正的位翻轉(zhuǎn)。例如，我們沒有物理意義上的Hadamard門。盡管Hadamard門是量子計(jì)算中最常見的門之一，但它會(huì)將位翻轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔环D(zhuǎn)，反之亦然。因此我們不能在物理層面上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

因此，我們?cè)诳梢圆捎玫奈锢黹T上有所不同。我們僅限于所謂的偏差保持門，使用這些偏差保持門我們能夠執(zhí)行糾錯(cuò)碼。在邏輯量子比特級(jí)別，我們可以擁有一組通用門并重新創(chuàng)建Hadamard門——實(shí)際上，我們?cè)?020年發(fā)布了這些路線圖。來自AWS的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在他們的路線圖中表達(dá)了在“貓態(tài)量子比特”上的偏差保持門上的愿景。

Y：其他基礎(chǔ)設(shè)備怎么樣？您是否還需要低溫冷卻到與常規(guī)超導(dǎo)量子比特基本相同的溫度？

T：完全正確。所以我們的設(shè)備非常龐大，在實(shí)驗(yàn)室，它與任何其他超導(dǎo)電路的基礎(chǔ)設(shè)施都類似，這意味著我們有稀釋制冷機(jī)、微電子機(jī)架，還有FPGA板來生成信號(hào)。主要區(qū)別在于復(fù)雜程度或我們的目標(biāo)物理量子比特?cái)?shù)?？紤]到我們的每個(gè)物理量子比特——每個(gè)“貓態(tài)量子比特”都已經(jīng)在糾正它的一些錯(cuò)誤，所以我們將需要更少的冗余物理量子比特，實(shí)際上，我們用于構(gòu)建邏輯量子比特的物理量子比特要比普通超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管從冷卻能力、輸入的微波線路數(shù)量、控制電子設(shè)備的數(shù)量上，我們需要構(gòu)建一個(gè)大型量子計(jì)算機(jī)。但是我們?cè)诔瑢?dǎo)路線中地位較低，我們能利用超導(dǎo)電路平臺(tái)的生態(tài)系統(tǒng)在擴(kuò)展方面的成果，但同時(shí)需要的成本更少，系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。所以這絕對(duì)是一家初創(chuàng)公司可以做到的。與我們的一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，我們絕對(duì)是一個(gè)小玩家。

Y：IBM是領(lǐng)先的超導(dǎo)量子比特供應(yīng)商或超級(jí)計(jì)算供應(yīng)商之一，他們計(jì)劃發(fā)布1,000量子比特芯片。現(xiàn)在，假設(shè)你有截然不同的糾錯(cuò)方案，如果你想在你的芯片上運(yùn)行與IBM1,000量子比特芯片大致相同的應(yīng)用程序，那么等效的量子比特?cái)?shù)量是多少？

T：我們競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在某些硬件上所運(yùn)行的應(yīng)用程序或算法，實(shí)際上是執(zhí)行糾錯(cuò)代碼并嘗試構(gòu)建一個(gè)邏輯量子比特，并將錯(cuò)誤率從10-6減少到10-9，這樣才明確證明實(shí)現(xiàn)了真正的指數(shù)加速。因此，通常超導(dǎo)電路的表面代碼糾錯(cuò)方法所需的數(shù)量，約為30個(gè)物理量子比特的30倍。因此，大約1,000個(gè)物理量子比特僅可以從表面代碼架構(gòu)中構(gòu)建一個(gè)邏輯量子比特。“貓態(tài)量子比特”在相同的假設(shè)水平下，實(shí)際上只需要糾正一個(gè)錯(cuò)誤。所以你實(shí)際上只需要一行物理量子比特，只需30個(gè)。

所以粗略的說法是，在量子比特開銷方面我們獲得了一個(gè)平方根因子。但這只是一個(gè)非常粗略的說法，因?yàn)槲覀冃枰紤]如何做非默認(rèn)的門，如何保持貓態(tài)的穩(wěn)定，以及對(duì)所有出現(xiàn)在上面的奇異事物進(jìn)行糾錯(cuò)。但數(shù)量級(jí)絕對(duì)在這個(gè)范圍內(nèi)。

Y：如果可以的話，請(qǐng)告訴我公司有多少人？融資情況如何？你們什么時(shí)候開始運(yùn)營(yíng)的？

T：我與聯(lián)合創(chuàng)始人Rapha?l Lescanne在2020年2月成立了Alice&Bob。那時(shí)我們剛剛在Nature Physics上發(fā)表了對(duì)位翻轉(zhuǎn)的指數(shù)抑制的第一個(gè)演示。因此，我們與法國(guó)風(fēng)險(xiǎn)投資公司以300萬歐元的種子輪啟動(dòng)了Alice&Bob。兩年多后，我們現(xiàn)在將近60歲，到今天為止，我們向風(fēng)險(xiǎn)投資公司完成了總計(jì)3000萬美元的融資，其中大部分是法國(guó)公司。我們正在朝著技術(shù)突破，也就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的“Sputnik”時(shí)刻（實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特）的方向努力。我們的核心目標(biāo)是明年在云端交付第一個(gè)邏輯量子比特。

Y：我了解到IBM迄今為止投資了大約15億美元來構(gòu)建他們的量子計(jì)算軟硬件。當(dāng)然我不認(rèn)為您打算用這個(gè)數(shù)量的平方根來建造您的量子計(jì)算機(jī)。您是否還需要數(shù)億美元才能達(dá)到成熟的技術(shù)水平？

T：我們非常相信可以用更少的東西做出成果。我們正在選擇這場(chǎng)戰(zhàn)斗。就像任何一家初創(chuàng)公司一樣，必須一步步走，并在每一步都讓投資者相信我們確實(shí)值得投資：合適的人選，合適的團(tuán)隊(duì)，合適的技術(shù)。這一切都與節(jié)奏有關(guān)。我們?cè)囍才殴镜某砷L(zhǎng)節(jié)奏，不要過于激進(jìn)，不要因?yàn)樽约阂?guī)模過大而崩潰。但是毫無疑問，我們也必須像競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一樣擴(kuò)大規(guī)模。我們相信，就公司的技術(shù)成熟度和增長(zhǎng)而言，我們將準(zhǔn)時(shí)為最終用戶按時(shí)提供實(shí)際的指數(shù)級(jí)計(jì)算加速。

Y：我們處于NISQ時(shí)代，許多軟件算法假設(shè)存在噪音，所以現(xiàn)在有混合算法?？梢哉f，“由于相干性等原因，我不能運(yùn)行純量子的超級(jí)復(fù)雜算法?！蹦欠裨敢獠捎眠@些混合算法，還是可能不考慮利用現(xiàn)有含噪音的算法而重新開發(fā)？

T：我們雖然不確定很多事情，但我們可以肯定的是，一旦硬件達(dá)到足夠的性能水平，并有足夠好的邏輯量子比特，那就可以選擇保證指數(shù)加速的算法。另一個(gè)關(guān)鍵因素是現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)非常好。因此，要在真正的現(xiàn)實(shí)世界任務(wù)中擊敗它們，您實(shí)際上需要的不僅僅是二次加速，需要指數(shù)級(jí)加速才能在未來十年中展示量子優(yōu)勢(shì)。因此，考慮到這些因素，我們?cè)贏lice&Bob上選擇的方向是專注于避免退相干，提供一個(gè)既可擴(kuò)展又能抵抗噪音的平臺(tái)，并優(yōu)先針對(duì)這些用例進(jìn)行算法開發(fā)。

Y：應(yīng)用程序是您公司的重點(diǎn)嗎？還是您依賴協(xié)作，而Alice&Bob的重點(diǎn)只是完成硬件？

T：我們是一家硬件公司。我們正在做的事情包括，量子比特控制理論、真正的底層數(shù)學(xué)，操作設(shè)備以及編碼量子計(jì)算機(jī)的偏差。但我們不做量子算法軟件。為此，我們與具有非常好的專業(yè)知識(shí)的伙伴進(jìn)行合作，以利用我們的硬件完成計(jì)算。我們專注于構(gòu)建一個(gè)硬件平臺(tái)，我們的合作伙伴可以通過該平臺(tái)為客戶創(chuàng)造實(shí)際價(jià)值。我們?cè)敢庠谶@方面進(jìn)行更多合作。

Y：我們今天的談話接近尾聲，我很好奇一個(gè)問題：如果您可以與量子計(jì)算領(lǐng)域的任何人共進(jìn)晚餐，無論他是否在世，您最想和誰共進(jìn)晚餐？

T：從我個(gè)人角度而言，我很早就投身于物理學(xué)，因?yàn)槲沂抢聿榈隆べM(fèi)曼(Richard Feynman)的忠實(shí)粉絲。量子計(jì)算領(lǐng)域的所有工作都以理查德·費(fèi)曼在幫助他兒子時(shí)的一句話開始的。當(dāng)時(shí)他正在建造經(jīng)典計(jì)算機(jī)，也意識(shí)到開始研究量子力學(xué)可能會(huì)很有趣。我真的很想知道他對(duì)我們前進(jìn)方向的最新觀點(diǎn)，以及希望量子計(jì)算或量子信息能夠帶來科學(xué)上的哪些進(jìn)步，就像經(jīng)典計(jì)算以一種非常通用的方式推動(dòng)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和很多科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步一樣。所以我希望與費(fèi)曼一起共進(jìn)晚餐。

Y：最后，人們?nèi)绾闻c您取得聯(lián)系，以更多地了解您的工作呢？

T：在我們的網(wǎng)站alice-bob.com上有著非常方便的聯(lián)系方式。我們?cè)诖蠖鄶?shù)社交網(wǎng)絡(luò)上也有賬號(hào)。我們是一家由物理學(xué)家為物理學(xué)家創(chuàng)建的公司，所以我們?nèi)栽诎l(fā)表很多論文，你肯定能在學(xué)術(shù)會(huì)議上見到我們。

Y：非常感謝您今天接受我的采訪。

T：也非常謝謝你，Yuval。

編譯：王珩

編輯：慕一