继谷歌、微软之后,亚马逊近日也发布了自家的第一代量子盘算芯片 Ocelot最新一本道,初度终端了可彭胀的玻色子纠错架构,与目下的量子纠错形貌比拟本钱不错镌汰突出 90%。
亚马逊示意,Ocelot 终端了以下紧要时间突出:
初度终端了可彭胀的玻色子纠错架构,超越了传统的量子比特挨次,镌汰了纠错支拨;初度终端噪声偏置门——这是解锁构建可彭胀、买卖上可行的量子盘算机所必需的硬件高效纠错类型的关节;超导量子比特的先进性能,位翻转时候接近一秒,而相位翻转时候为 20 微秒。
△构成 Ocelot 逻辑量子比特存储芯片的一双硅微芯片
亚马逊示意,"咱们敬佩,将 Ocelot 彭胀为约略产生变革性社会影响的熟谙量子盘算机,所需的资源仅为常见挨次的十分之一,有助于更接近实用量子盘算的期间。"
量子纠错:可靠量子盘算的关节
量子盘算机有望以比传统盘算机更快的速率(致使指数级)推论某些盘算。这意味着量子盘算机不错惩处一些传统盘算永远无法惩处的问题。
av收藏家量子盘算的骨子应用将需要复杂的量子算法和数十亿个量子门——这是量子盘算机的基本操作。但目下的量子盘算机对环境噪声极其敏锐,这意味着现在最好的量子硬件也只可无造作地运行简短一千个门。我怎样弥补这一差距?
量子纠错表面于 20 世纪 90 年代初度建议,它提供了一种惩处决策。通过在多个物理量子位之间分享每个逻辑量子位中的信息,不错保护量子盘算机中的信息免受外部噪声的影响。不仅如斯,还不错以类似于数字存储和通讯中使用的经典纠错挨次的形貌检测和改进造作。
最近的现实一经流表露有但愿的推崇,但现在基于超导或原子量子比特的最好逻辑量子比特的造作率仍然比已知具有实用性和量子上风的量子算法所需的造作率高出十亿倍。
量子比特支拨的挑战
固然量子纠错提供了一种路线来弥补现在造作率与骨子量子盘算所需造作率之间的高大差距,但它在资源支拨方面也付出了千里重的代价。镌汰逻辑量子比特造作率需要扩大每个逻辑量子比特的物理量子比特数目的冗余度。
传统的量子纠错挨次,举例使用名义纠错码的挨次最新一本道,目下需要每个逻辑量子比特罕有千个(若是咱们特别特别发奋的话,将来可能要罕有百个)物理量子比特能力达到所需的造作率。这意味着一台商用量子盘算机将需要数百万个物理量子比特——比现时硬件的量子比特数目高出很多个数目级。
形成这种高支拨的一个根蒂原因是量子系统会遭遇两种类型的造作:位翻转造作(也存在于经典位中)和相位翻转造作(量子位特有)。经典位只需要改进位翻转,而量子位则需要罕见的冗余层来处理这两种类型的造作。
固然很奥密,但这种加多的复杂性导致量子系统需要多数的资源支拨。比拟之下,一个好的经典纠错码不错终端咱们守望的量子盘算造作率,而支拨不到 30%,简短是传统名义代码挨次支拨的万分之一(假定比特造作率为 0.5%,与现时硬件中的量子比特造作率相似)。
Cat 量子比特:一种更有用的纠错挨次
当然界中的量子系统可能比量子比特更复杂,量子比特仅由两个量子态构成(时常标记为 0 和 1,类似于经典数字比特)。以通俗的谐振子为例,它以明确的频率回荡。谐振子有各式千般的口头和大小,从用于在播放音乐时保执时候的机械节奏器到用于雷达和通讯系统的微波电磁回荡器。
经典上,回荡器的状况不错用其回荡的振幅和相位来示意。从量子力学的角度来看,情况类似,尽管振幅和相位永远不会同期圆善界说,而况与添加到系统中的每个能量量子关系的振幅齐存在潜在的颗粒度。
这些能量量子便是所谓的玻色子粒子,其中最闻明的是光子,与电磁场联系。咱们向系统中注入的能量越多,咱们产生的玻色子(光子)就越多,咱们不错走访的回荡器状况(振幅)就越多。玻色子量子差错校正依赖于玻色子 而不是通俗的双态量子比特系统,它使用这些罕见的回荡器状况更有用地保护量子信息免受环境噪声的影响,并进行更高效的差错校正。
一种玻色子量子纠错使用 Cat 量子比特,以埃尔温 · 薛定谔闻明念念想现实中的死 / 活薛定谔猫定名。Cat 量子比特使工具有明确振幅和相位的类经典状况的量子叠加来编码量子比特的信息。就在彼得 · 肖尔 1995 年发表对于量子纠错的始创性论文几年后,商议东谈主员开动暗暗设备一种基于 Cat 量子比特的纠错替代挨次。
Cat 量子比特的主要上风在于其固有的防位翻转造作保护。加多回荡器中的光子数目不错使位翻转造作的发生率呈指数级下落。这意味着咱们无需加多量子比特数,只需加多回荡器的能量,就不错使纠错限度大大提升。
往常十年,很多始创性的现实齐展示了 Cat 量子比特的后劲。但是,这些现实大多和洽于单 Cat 量子比特演示,而 Cat 量子比特能否集成到可彭胀架构中仍是一个悬而未决的问题。
Ocelot:展示玻色子量子纠错的可彭胀性
今天,咱们在《当然》杂志上发表了对 Ocelot 的测量限度偏激量子纠错性能。Ocelot 代表着迈向实用量子盘算机的热切一步,它专揽 Cat 量子比特的芯片级集成来形成可彭胀、硬件高效的量子纠错架构。在这种挨次中,
位翻转造作在物理量子位层面上被成倍地扼制;使用肖似码(最通俗的经典纠错码)来改进相位翻转造作;而况每个 Cat 量子比特和支持传输量子比特(超导量子电路中使用的惯例量子比特)之间的高度噪声偏置受控非(C-NOT)门约略终端相位翻转造作检测,同期保留 Cat 的位翻转保护。
△ Ocelot 芯片中终端的逻辑量子位的图形演示:逻辑量子位由 cat 数据量子位、transmon 支持量子位随和冲模式的线性阵列构成。贯穿到每个 cat 数据量子位的缓冲模式用于改进位翻转造作,而 cat 数据量子位线性阵列上的肖似代码用于检测和改进相位翻转造作。肖似代码在每对相邻的 cat 数据量子位和分享的 transmon 支持量子位之间使用噪声偏置受控非门操作来标记和定位 cat 数据量子位阵列内的相位翻转造作。在此图中,已在中间的 cat 数据量子位上检测到相位翻转(或 Z)造作。
Ocelot 逻辑量子比特存储芯片(如上图所示)由五个 cat 数据量子比特构成,每个量子比特齐包含一个用于存储量子数据的回荡器。每个 cat 量子比特的存储回荡器齐贯穿到两个支持 transmon 量子比特,用于相位翻转差错检测,并与一个特殊的非线性缓冲电路配对,用于默契 cat 量子比特状况并指数级扼制比特翻转差错。
调遣 Ocelot 树立需要阐述 cat 振幅(平均光子数)校准 cat 量子比特的位和相位翻转造作率,并优化用于相位翻转造作检测的 C-NOT 门的噪声偏差。咱们的现实限度标明,咱们不错终端接近一秒的位翻转时候,比传统超导量子比特的寿命长一千多倍。
至关热切的是,这不错通过小至四个光子的 Cat 振幅来终端,使咱们约略保留数十微秒的相位翻转时候,足以进行量子纠错。从那处,咱们运行一系列纠错周期来测试电路行为逻辑量子位存储器的性能。为了表征肖似代码的性能和架构的可彭胀性,咱们商议了 Ocelot Cat 量子比特的子集,代表不同的肖似代码长度。
现代码距离从 distance-3 加多到 distance-5(即从具有三个 Cat 量子比特的代码到具有五个 Cat 量子比特的代码)时,在很宽的 Cat 光子数范围内,逻辑相位翻转造作率权贵下落,这标明了肖似代码的有用性。
当包含位翻转造作时,distance-3 代码的总逻辑造作率测量为每周期 1.72%,distance-5 代码的总逻辑造作率测量为每周期 1.65%。distance-5 代码的总造作率与距离较短的 distance-3 代码的总造作率特别,distance-3 代码的 cat 量子比特较少,位翻转造作的可能性也较大,这不错归因于 C-NOT 门的噪声偏差较大,而况约略有用扼制位翻转造作。恰是这种噪声偏差事得 Ocelot 约略以不到五分之一的量子比特(五个数据量子比特和四个支持量子比特)终端 distance-5 代码,而名义代码树立则需要 49 个量子比特。
范围至关热切
从现代 GPU 中的数十亿个晶体管到援救 AI 模子的大范围 GPU 集群,高效彭胀的智商是时间突出的关节驱能源。雷同,彭胀量子比特的数目以妥当量子纠错所需的支拨将是终端具有买卖价值的量子盘算机的关节。
但盘算历史标明,彭胀正确的组件可能会对本钱、性能致使可行性产生高大影响。当晶体管取代真空管成为彭胀的基本构件时,盘算机改进才真的开动。
Ocelot 是咱们的第一款领受 Cat 量子比特架构的芯片,亦然对其行为终熟察子纠错的基本构建块的适用性的初步测试。Ocelot 的未来版块正在设备中,它将通过组件性能的提升和代码距离的加多来成倍地镌汰逻辑造作率。
针对有偏噪声定制的代码(举例 Ocelot 中使用的肖似代码)不错权贵减少所需的物理量子比特数。在咱们行将发表的论文"用于可彭胀、硬件高效量子纠错的夹杂 cat-transmon 架构"中,咱们发现与具有类似物理量子比特造作率的传统名义代码挨次比拟,彭胀 Ocelot 不错将量子纠错支拨减少高达 90%。
亚马逊敬佩,Ocelot 的架构偏激高效的硬件纠错挨次使咱们约略很好地应付量子盘算的下一阶段:学习怎样彭胀。使用高效的硬件挨次将使咱们约略更快、更经济高效地终端一台造福社会的纠错量子盘算机。
亚马逊示意:"往常几年最新一本道,量子盘算干预了一个兴盛东谈主心的新期间,量子纠错已从黑箱走向测试台。借助 Ocelot,咱们才刚刚开动走上容错量子盘算的谈路。对于有酷爱酷爱加入咱们这一旅程的东谈主,咱们正在招聘量子盘算堆栈中的职位。"