第7期 2021/04/30
AWS發表新方法：用于打造更精確的量子計算機
亞馬遜的云子公司AWS日前發布了有關研究的第一篇論文，詳細介紹了未來量子計算機的新架構，如果新架構能得以實現，則將為糾錯設定新標準。
AWS云公司日前公布了容錯量子計算機新藍圖，盡管新藍圖仍是純理論性的，但新藍圖描述了一種控制量子比特（或稱qubits）的新方法，可確保量子比特盡可能準確地進行計算。
這篇論文很可能會引起許多致力于改進量子糾錯（QEC）專家的注意，量子糾錯是個與量子計算同步發展的領域，旨在解決阻礙實現實用的大規模量子計算機的一些關鍵障礙。
量子系統由于成倍地提高了計算能力，有望在金融、藥物發現等行業獲得突破性進展，但實際上量子系統仍然存在各種不完善的地方或者說錯誤，這些都會搞砸計算結果。
量子計算機的構件是量子比特，量子比特處于特殊的量子狀態：量子比特不像經典計算設備里比特那樣處于1或0的狀態，量子比特可以同時處于1和0兩種狀態。雖然量子比特這種特性使得量子計算機可以同時進行許多計算，但量子比特也非常不穩定，一旦暴露在外界環境里，其量子狀態就有可能崩潰。因此，量子門中的量子比特所進行的計算可能常常不那么靠譜，科學家們現在的研究就是要找到發現量子比特何時出錯以及糾正錯誤的方法。
AWS量子計算中心研究科學家Patricio Arrangoiz-Arriola和Earl Campbell在一篇博客文章里表示，"一些已知有用的量子算法可能需要幾百萬或幾十億個量子門，這些算法可能與經典算法比具有壓倒性優勢。但不幸的是，量子算法構件里的量子門很容易出錯。"
博文稱，"雖然錯誤率在不斷下降，但仍比能提供高保真算法運行所需的錯誤率高了許多個數量級。研究人員為了進一步降低錯誤率需要用到其他一些補充方法（如QEC），以達到在物理層面降低門錯誤率的目的。"
量子糾錯可以用不同的方法。傳統的方法名為主動QEC，就是用許多不完美的量子比特（名叫“物理量子比特”）去糾正已被確定存在錯誤的一個量子比特并恢復其粒子的精確狀態。這種方式產生的可控量子比特人稱“邏輯量子比特”。
但主動QEC產生的硬件開銷很大，因為每個邏輯量子比特的編碼需要許多物理量子比特，因此要構建一個由大規模量子比特電路組成的通用量子計算機就十分地困難。
另一種方法是被動QEC，被動QEC側重于設計一個具有固有抗錯穩定性的物理計算系統。雖然圍繞被動QEC的許多工作仍處于實驗階段，但該方法旨在建立固有的容錯性，從而可以加速構建具有大規模量子比特的量子計算機。
根據發布的新藍圖，AWS的研究人員會結合主動和被動QEC打造一款理論上可以達到更高的精度水平的量子計算機。其架構提出了一個基于 "貓態 "（cat states）的系統，貓態是被動QEC的一種形式，量子比特在振蕩器里保持疊加狀態，通過注入和提取一對光子確保量子狀態保持穩定。
根據AWS科學家的說法，研究顯示，這種設計可以減少比特比特反轉錯誤，比特反轉指量子比特狀態從1反轉到0或從0反轉到1。但為了進一步保護量子比特不受其他類型錯誤的影響，研究人員提出將被動QEC與已知的主動QEC技術結合起來用。
例如，重復碼已經是量子設備用到的成熟檢錯和糾錯方法，Arrangoiz-Arriola和Campbell在他們的理論量子計算機里將重復碼與貓態放在一起用，以達到提高容錯的目的。
結果似乎頗為喜人：貓態和重復碼的結合產生了一個架構，架構里只需用于穩定的2000多個超導元件就可以產生一百個能夠執行一千個門的邏輯量子比特。
Arrangoiz-Arriola和Campbell表示，“利用當前或近期技術可以將這些置于單一稀釋箱內，其計算能力將遠遠超過我們在經典計算機上可以模擬的范圍。”
不過，在研究人員提出的這個理論架構能夠以物理設備形狀現身前還存在一些挑戰。例如，貓態在之前的概念驗證實驗中是在實驗室里展示的，但尚未進入實用規模生產。
該論文則提出，越來越多的大科技公司看起來已經加入這場量子競賽，AWS也在為量子計算做好準備。
IBM最近公布了一個路線圖，目標是2023年的1121量子位系統，IBM目前正在研發127量子位的處理器。谷歌的54量子位 Sycamore芯片曾在2019年成為量子霸主，當時是個大新聞。而微軟最近也推出了旗下基于云的量子生態系統Azure Quantum的公開預覽版。
亞馬遜則推出一項名為Amazon Braket的AWS管理服務，科學家、研究人員和開發人員可以通過該管理服務利用D-Wave、IonQ和Rigetti等量子硬件供應商的計算機進行實驗。不過，亞馬遜尚有待打造自己的量子計算機。
本文章選自《AI啟示錄》雜志，閱讀更多雜志內容，請掃描下方二維碼
