亚马逊新的量子计算机设计竞依赖于微小的“薛定谔的猫”

薛定谔的猫是一种思维实验，在这个实验中，一个量子事件将猫处于生死之间的模糊状态处于在盒子中：只有当打开猫盒观察时，才会明确猫是死了还是活着。现在，亚马逊发布了一种新的量子计算机的设计理论蓝图，该设计图纸基于许多的微小的“薛定谔猫”的硬件版本的组合。

传统计算机通过开关晶体管将数据符号化为1或0，而量子计算机则使用量子比特，由于量子物理的超现实性质，量子比特可以以叠加状态存在，即它们同时为1和0。所以从本质上讲，这使每个量子位可以同时执行两次计算。

如果两个量子位是量子力学连接或纠缠的，它们可以同时进行2^2即4次计算；三个量子位可同时执行2^3或八个计算，......，等等。从理论上来讲，一台拥有300个量子比特的量子计算机，瞬间所执行的计算数量，比构成如今我们可见宇宙中的所有的原子加起来的总数还要多。

当前量子计算机的一个关键缺点是它们的内部工作方式容易出错。”亚马逊网络服务（AWS）量子硬件项目负责人，加州理工学院实验物理学家Oskar Painter说：“如果从现在的硬件位置以及处理已知的社会和商业利益的大规模问题来看，这样的错误率大约有9个数量级的差距。”

科学家可以用冗余的量子位来补偿这些高错误率。然而，这样的策略通常需要很高的硬件开销——例如，对于每个有用的“逻辑”量子位，它们可能需要超过1000个冗余的“物理”量子位。

另一种弥补策略涉及设计本质上对差错稳定的量子计算机。现在，AWS量子计算中心发布了一个容错量子计算机的理论蓝图，该计算机本质上抑制了一个主要的错误源。

科学家们可以从理论上使用量子系统的任何一对状态来编码一个量子比特，例如，分子的两个潜在的不同能级。亚马逊的新设计依赖于选择使用所谓的“薛定谔猫状态”，该状态由成对的状态组成，而不是彼此，就像经历生或死的薛定谔的猫一样。

亚马逊量子计算机设计的基石是一个振荡器，它以一种连贯的方式波动，即振荡是相位移动，或者是锁定步进。“猫的状态”为同一振荡器中具有相反相位的两组相干波动的叠加。

最新发现表明，科学家们可以使基于猫状态的量子位高度抵抗位翻转，当量子位状态从1翻转到0、或从0翻转到1的反向翻转时，是常见的差错来源。

Painter说：“猫量子比特具有抵御环境噪声的内在保护作用。我们为此投资花了很多资金购买猫量子位，错误率降低了几个数量级。”

当在两个相反相位之一之间切换时，这一策略确实使猫量子位更容易受到称为相位翻转的另一种常见错误源的攻击。但是，亚马逊指出，随后可以使用量子纠错码来补偿这些错误，以帮助开发容错量子计算机。

Painter表示：“通过只关注一种错误而不是两种，这就大大减少了代码所需的开销 -- 这是最大的好处。”

亚马逊的新设计建议使用非常紧凑的压电纳米结构作为振荡器。但是，研究指出，要使它们足够连贯和可靠，还有许多工作要做。这一新策略还可以采用超导存储谐振器作为振荡器，这是一种更为成熟的技术。

“我们现在正在考虑多种选择，”Painter表示，“它还处于发展的早期阶段，如果我们在一个方向上过于孤立，那可能会受到很大的限制。”

AWS量子算法项目负责人、加州理工学院理论物理学家Fernando Brandao说，研究人员估计了在模拟Hubbard模型（一种描述强相互作用电子的量子算法）时，他们的策略可能需要哪些硬件来超越传统计算机。Brandao说，它不仅在分析电池设计方面有应用，而且在高温超导体、拓扑材料和其他可能成为未来材料的奇异量子物质方面也有应用。

科学家计算出，通过使用32,000个非对称线程超导量子干涉装置（SQUID）来稳定猫量子位，从而可以在量子计算上获得量子优势。Painter表示， “通过现有技术，我们可以将这些元素扩展到10,000个，” “所以我们的可达目标锁定在32,000以内。”

Brandao补充说，“而32,000的数字并不是一成不变的，会有关于优化的更好的主意，这个数字可能会下降。”

Painter表示，研究人员现在正致力于用硬件实现他们的想法。

编辑：jq