摘要：科学家展示了一种新的量子芯片结构，用于使用一种称为猫量子的量子的类型抑制错误。...

位于加州理工学院校园的AWS量子计算中心的科学家在弄清楚如何抑制量子计算机中的错误方面取得了长足的发展，这是一个令人讨厌的问题，这仍然是建造未来机器的最大障碍。

量子计算机基于量子领域的看似神奇的特性，在许多不同领域（包括医学，材料科学，加密和基本物理学）具有前途。但是，尽管当今的量子计算机对于研究物理的利基领域很有用，但由于其对噪声的固有敏感性，因此无法解决更高级问题的通用量子计算机是不可能解决的。来自手机和Wi-Fi网络的振动，热量，电磁干扰，甚至是宇宙射线以及外太空的辐射，都可以从其量子状态中敲出量子量 - 量子位。结果，量子计算机比其经典计算机对应机的错误要多得多。

在2月26日期刊上的报告自然AWS和Caltech的一组科学家团队展示了一种新的量子芯片架构，用于使用一种称为Cat Qubit的Qubit类型来抑制错误。 Cat Qubits于2001年首次提出，从那时起，研究人员就开发并完善了它们。现在，AWS团队将第一个可用于有效减少量子错误的可扩展猫量子芯片组合在一起。新型量子计算芯片称为Ocelot，以斑点的野猫命名，同时还向猫量子台的内部“振荡器”技术致敬。

Oskar Painter（PhD '01）说：“为了使量子计算机成功，我们需要错误率比今天要高约十亿倍。” “错误率每两年降低了大约两年的次数。按照这个速度，我们需要70年才能到达我们需要的位置。相反，我们正在开发一种新的芯片架构，该芯片架构可能能够更快地到达那里。也就是说，这是早期的基础。我们仍然有很多工作要做。”

Qubits基于1S和0，例如古典计算机中的量表，但1s和0s处于叠加状态。这意味着他们可以同时进行1和0的组合。这也意味着它们很脆弱，很容易脱离叠加。画家说：“使Qubits强大的原因也使它们对量子错误敏感。”

古典数字计算机系统具有处理错误的直接方法。基本上，这些系统的设计人员使用额外的冗余位来保护数据免受错误。例如，一位信息在三个位上复制，以便任何位具有两个备份伙伴。如果其中一个位有错误（从1到0或0到1的翻转），而其他两个没有翻转，则可以使用简单的代码 - 在这种情况下，可以使用所谓的三位重复代码 - 可以用于检测错误并将奇数恢复。

由于Qubits中发现的叠加的复杂性，它们可能会有两种类型的错误：比特翻转，如经典的数字系统和相位翻转，其中1和0的量子状态彼此之间变得不相相（或过于同步）。研究人员已经制定了许多策略来处理量子系统中的两种错误类型，但是这些方法要求量子位具有大量备份合作伙伴。实际上，当前的量子技术可能需要数千个额外的量子位，以提供所需的防护水平免受错误。这就像一家报纸媒体，采用大量的事实检查员来验证其文章的准确性，而不仅仅是小型团队。量子计算机的开销过多且笨拙。

“我们正在长期寻求建造有用的量子计算机，即使是最好的超级计算机也无法做的事情，但是扩大它们是一个巨大的挑战，” Caltech理论物理学教授兼AWS Applied Science总监Bren BrenBrandão说。 “因此，我们正在尝试新的错误纠正方法，以减少开销。”

该团队的新方案依赖于由微波振荡器制成的超导电路形成的一种量子，其中代表Qubit的1和0状态定义为两个不同的大规模振荡振幅。这使Qubit表示非常稳定，并且对位叉错误不渗透。 “您可以将两个振荡状态视为秋千上的孩子的振荡状态，他们正以高幅度摇摆，但要么向左或向右摆动。可能会出现风并摇摆摇摆，但振动的振幅很大，以至于从一个方向迅速转向另一个方向，” Painter解释了。”

实际上，“猫” Qubits这个名字是指这些量子位的能力，同时使用了两个非常大的或宏观的状态 - 就像埃尔文·施罗丁（ErwinSchrödinger）的思想实验中的著名猫一样，它们可以同时死亡和活着。

随着猫码头的位流纹误差急剧减少，唯一要纠正的错误是相位翻转错误。并且仅纠正一种错误意味着研究人员可以使用重复代码，例如用于修复经典系统中的位叉误差的重复代码。

布兰布说：“诸如OCELOT中的重复代码之类的经典代码意味着新芯片将不需要那么多量子器来纠正错误。” “我们已经展示了一个更可扩展的体系结构，可以将错误校正所需的额外量子位数量减少多达90％。”

Ocelot芯片通过组合五个猫量动数以及特殊的缓冲电路来稳定其振荡，从而实现这一目标，并进行了四个辅助量子量，以检测相误差。结果在自然文章表明，随着代码从三个猫码头增加到五个猫码头，该团队的简单重复代码可以有效地捕获相位翻转错误并改善。此外，相位误差检测过程的实现方式是通过在CAT量子位维持高水平的位叉误差抑制作用的方式。

这次概念验证的演示仍然有一段路要走，但是画家说，他对Ocelot表现得如此迅速的表现感到兴奋，并且该团队正在进行更多的研究来扩展技术。他说：“解决这是一个非常困难的问题，我们需要继续对基础研究进行投资，同时与学术界保持联系并从中学习重要的工作。”

这自然AWS资助的研究名为“通过串联的玻色粒量子矫正硬件有效的量子误差校正”。除许多AWS研究人员外，其他加州理工学院的作者还有John Preskill，Richard P. Feynman理论物理学教授以及Allen V. C. Davis和Lenabelle Davis量子信息与物质研究所，IQIM和IQIM和GIL REFAEL，泰勒·W·塔伊勒·W·律师事务所的泰勒·W·律师事务所教授理论理学的教授。