亞馬遜新的量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)依賴于微小的“薛定諤的貓”

薛定諤的貓是一種思維實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)量子事件將貓?zhí)幱谏乐g的模糊狀態(tài)處于在盒子中：只有當(dāng)打開貓盒觀察時(shí)，才會(huì)明確貓是死了還是活著?，F(xiàn)在，亞馬遜發(fā)布了一種新的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)理論藍(lán)圖，該設(shè)計(jì)圖紙基于許多的微小的“薛定諤貓”的硬件版本的組合。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過開關(guān)晶體管將數(shù)據(jù)符號(hào)化為1或0，而量子計(jì)算機(jī)則使用量子比特，由于量子物理的超現(xiàn)實(shí)性質(zhì)，量子比特可以以疊加狀態(tài)存在，即它們同時(shí)為1和0。所以從本質(zhì)上講，這使每個(gè)量子位可以同時(shí)執(zhí)行兩次計(jì)算。

如果兩個(gè)量子位是量子力學(xué)連接或糾纏的，它們可以同時(shí)進(jìn)行2^2即4次計(jì)算；三個(gè)量子位可同時(shí)執(zhí)行2^3或八個(gè)計(jì)算，......，等等。從理論上來講，一臺(tái)擁有300個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，瞬間所執(zhí)行的計(jì)算數(shù)量，比構(gòu)成如今我們可見宇宙中的所有的原子加起來的總數(shù)還要多。

當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)是它們的內(nèi)部工作方式容易出錯(cuò)。”亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）量子硬件項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，加州理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Oskar Painter說：“如果從現(xiàn)在的硬件位置以及處理已知的社會(huì)和商業(yè)利益的大規(guī)模問題來看，這樣的錯(cuò)誤率大約有9個(gè)數(shù)量級(jí)的差距?！?/p>

科學(xué)家可以用冗余的量子位來補(bǔ)償這些高錯(cuò)誤率。然而，這樣的策略通常需要很高的硬件開銷——例如，對(duì)于每個(gè)有用的“邏輯”量子位，它們可能需要超過1000個(gè)冗余的“物理”量子位。

另一種彌補(bǔ)策略涉及設(shè)計(jì)本質(zhì)上對(duì)差錯(cuò)穩(wěn)定的量子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在，AWS量子計(jì)算中心發(fā)布了一個(gè)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的理論藍(lán)圖，該計(jì)算機(jī)本質(zhì)上抑制了一個(gè)主要的錯(cuò)誤源。

科學(xué)家們可以從理論上使用量子系統(tǒng)的任何一對(duì)狀態(tài)來編碼一個(gè)量子比特，例如，分子的兩個(gè)潛在的不同能級(jí)。亞馬遜的新設(shè)計(jì)依賴于選擇使用所謂的“薛定諤貓狀態(tài)”，該狀態(tài)由成對(duì)的狀態(tài)組成，而不是彼此，就像經(jīng)歷生或死的薛定諤的貓一樣。

亞馬遜量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基石是一個(gè)振蕩器，它以一種連貫的方式波動(dòng)，即振蕩是相位移動(dòng)，或者是鎖定步進(jìn)?！柏埖臓顟B(tài)”為同一振蕩器中具有相反相位的兩組相干波動(dòng)的疊加。

最新發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)家們可以使基于貓狀態(tài)的量子位高度抵抗位翻轉(zhuǎn)，當(dāng)量子位狀態(tài)從1翻轉(zhuǎn)到0、或從0翻轉(zhuǎn)到1的反向翻轉(zhuǎn)時(shí)，是常見的差錯(cuò)來源。

Painter說：“貓量子比特具有抵御環(huán)境噪聲的內(nèi)在保護(hù)作用。我們?yōu)榇送顿Y花了很多資金購買貓量子位，錯(cuò)誤率降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

當(dāng)在兩個(gè)相反相位之一之間切換時(shí)，這一策略確實(shí)使貓量子位更容易受到稱為相位翻轉(zhuǎn)的另一種常見錯(cuò)誤源的攻擊。但是，亞馬遜指出，隨后可以使用量子糾錯(cuò)碼來補(bǔ)償這些錯(cuò)誤，以幫助開發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

Painter表示：“通過只關(guān)注一種錯(cuò)誤而不是兩種，這就大大減少了代碼所需的開銷 -- 這是最大的好處?！?/p>

亞馬遜的新設(shè)計(jì)建議使用非常緊湊的壓電納米結(jié)構(gòu)作為振蕩器。但是，研究指出，要使它們足夠連貫和可靠，還有許多工作要做。這一新策略還可以采用超導(dǎo)存儲(chǔ)諧振器作為振蕩器，這是一種更為成熟的技術(shù)。

“我們現(xiàn)在正在考慮多種選擇，”Painter表示，“它還處于發(fā)展的早期階段，如果我們?cè)谝粋€(gè)方向上過于孤立，那可能會(huì)受到很大的限制。”

AWS量子算法項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家Fernando Brandao說，研究人員估計(jì)了在模擬Hubbard模型（一種描述強(qiáng)相互作用電子的量子算法）時(shí)，他們的策略可能需要哪些硬件來超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。Brandao說，它不僅在分析電池設(shè)計(jì)方面有應(yīng)用，而且在高溫超導(dǎo)體、拓?fù)洳牧虾推渌赡艹蔀槲磥聿牧系钠娈惲孔游镔|(zhì)方面也有應(yīng)用。

科學(xué)家計(jì)算出，通過使用32,000個(gè)非對(duì)稱線程超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）來穩(wěn)定貓量子位，從而可以在量子計(jì)算上獲得量子優(yōu)勢(shì)。Painter表示， “通過現(xiàn)有技術(shù)，我們可以將這些元素?cái)U(kuò)展到10,000個(gè)，” “所以我們的可達(dá)目標(biāo)鎖定在32,000以內(nèi)?！?/p>

Brandao補(bǔ)充說，“而32,000的數(shù)字并不是一成不變的，會(huì)有關(guān)于優(yōu)化的更好的主意，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)下降?！?/p>

Painter表示，研究人員現(xiàn)在正致力于用硬件實(shí)現(xiàn)他們的想法。

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