量子纠错率提高100倍！亚马逊云科技开启量子创新时代

由AWS开发和制造的包装组件中的超导量子芯片（图片来源：网络）

作为一项尖端技术，量子计算能提供前所未有的计算能力。美国亚马逊云科技（AWS）近期推出了一款量子芯片，展示出该技术取得了重大飞跃。

在拉斯维加斯举行的AWS re:Invent全球云计算大会上，AWS实用计算产品高级副总裁Peter Desantis发表了主题演讲，他表示：“这是一款完全由我们的AWS量子团队制造的定制芯片。”

DeSantis认为，这款芯片是研究容错量子计算机道路上的一个重要里程碑。他说：“我们已经成功运用被动纠错方法将错误降低到原来的1/100。”

AWS 实用计算产品高级副总裁 Peter Desantis（图片来源：网络）

从晶体管到量子比特

传统计算机依赖于使用0和1表示的二进制，并用晶体管来存储和处理信息。相比之下，量子计算机则利用量子比特（如电子或光子）进行信息存储和处理。不同于经典比特，量子比特能够以叠加态的形式存在，使得0和1可以同时组合。这种叠加态再加上量子纠缠的特性，使得量子计算机能以指数级的速度执行复杂计算。

由于量子比特的独特性，量子计算机具备彻底改变各行业技术的巨大潜力，并推动农业、可再生能源等领域发展。

纠错：一项关键挑战

各类计算机（包括量子计算机），都偶尔会出现错误。经典计算机通过纠错技术（例如 ECC 存储器）来防止“位翻转”（0到1或相反）情况的发生。

然而，由于量子计算机对环境噪声固有的敏感性，它们面临着更大的挑战。量子比特在二维空间中会出现两种情况：位翻转和相位翻转（就好像量子比特突然开始向相反方向旋转一样，这可能会导致量子计算不准确）。为了减轻相位翻转误差的影响，人们采用了量子纠错技术。这些技术涉及在多个量子比特中编码信息，从而检测和纠正相位翻转错误。

需要降低错误率

在过去的15年里，人们在降低量子比特错误率方面取得了重大进展。从每10次量子操作出错一次，降低到每1000次操作出错一次，错误率降至原先的1/100。尽管取得了这一显著进步，量子比特仍含有较多噪声，无法用于解决实际复杂问题。

量子纠错：一种潜在的解决方案

针对含噪声量子比特这一挑战，研究人员已经开发出多种量子纠错技术。例如，将一个物理量子比特编码为一个逻辑量子比特，以降低错误率。

然而，由于目前量子比特的错误率较高，需要大量物理量子比特才能构造出一个逻辑量子比特。如果按照当前的错误率0.1%来计算，每个逻辑量子比特都需要数千个物理量子比特。这表明人们需要进一步降低量子比特的错误率，以提高量子纠错的效率和可扩展性。

彻底改变纠错

AWS量子计算团队在开发量子芯片方面取得了重大突破，该芯片可以更有效地应对纠错挑战。

这款定制的芯片采用了一种独特的纠错方法，即分离位翻转和相位翻转。通过采用被动纠错方法，该芯片已成功地将位翻转错误降低至原先的1/100或1/99。主动纠错只需要关注相位翻转误差即可，从而显著提高了量子纠错的效率。

硬件效率的进步

尽管容错量子计算机仍处于早期阶段，但此次量子芯片的开发标志着人们在该领域向前迈出了重要的一步。DeSantis表示，通过提高硬件效率和可扩展性，这一原型芯片的实验结果展示了其在实现量子纠错方面的潜力，相比标准方法，其效率提高了6倍。

2019年，AWS在美国加州理工学院的校园里建立了一个量子计算中心——Richard Feynman曾在20世纪80年代于此处首次提出了建造量子计算机的概念，并意识到经典计算机在模拟量子现象方面的局限性，Feynman设想运用量子本身来克服这些难题。十年后，数学家Peter·Shor发现了一种分解质因数的量子算法。他所发明的Shor算法相较于经典算法能进行指数级加速，展示了量子计算机在解决除模拟量子世界之外的问题上的巨大潜力。

走出实验室：构建量子系统

在接下来的几年里，物理学家们开始在实验室环境中探索由两个相互作用的量子比特组成的小型量子系统。当科学家们成功地掌握了如何在与经典计算机相同的电路上生成量子比特时，这一重大突破也标志着研发实用且可靠的量子计算机的竞赛拉开了序幕。

目前，量子计算机已经拥有了数百甚至数千个量子比特，然而在它们能真正改变世界之前，还需克服一些重大挑战。

量子创新的未来

AWS的突破性量子芯片极有可能标志着量子创新时代的开始。其在纠错和硬件效率方面取得的进展，使量子计算机距离解决前所未有的复杂问题更近一步。