猫量子比特芯片革新量子纠错

某中心与某理工学院校园内的某机构量子计算中心的科学家在抑制量子计算机错误方面取得了飞跃性进展。量子计算机基于量子领域看似神奇的属性，有望应用于医学、材料科学、密码学和基础物理学等多个领域。然而，尽管当今的量子计算机可用于研究物理学的特定领域，但由于其对噪声的固有敏感性，尚无法构建能够解决更复杂问题的通用量子计算机。振动、热量、来自手机和Wi-Fi网络的电磁干扰，甚至来自外太空的宇宙射线和辐射，都可能使量子比特脱离其量子态。因此，量子计算机产生的错误远比经典计算机多。

在2025年2月26日《自然》期刊上发表报告的一个科学家团队展示了一种新型量子芯片架构，该架构利用一种称为“猫量子比特”的量子比特来抑制错误。猫量子比特于2001年首次提出，此后研究人员对其进行了开发和改进。如今，该团队组装了第一个可扩展的猫量子比特芯片，可有效减少量子错误。这款名为Ocelot的新型量子计算芯片以斑点野猫命名，同时也暗指了猫量子比特所依赖的内部“振荡器”技术。

某中心量子硬件负责人表示：“量子计算机要成功，我们需要将错误率比现在提高约十亿倍。错误率大约每两年下降一半。按照这个速度，我们需要70年才能达到目标。相反，我们正在开发一种新的芯片架构，可能更快实现目标。不过，这只是一个初步的构建模块。我们还有很多工作要做。”

量子比特基于1和0，如同经典计算机，但1和0处于叠加态，这意味着它们可以同时呈现1和0的任意组合。这也意味着它们很脆弱，极易脱离叠加态。使得量子比特强大的特性也使其对量子错误敏感。

经典数字计算机系统有直接的方式来处理错误，即使用额外的冗余比特来保护数据免受错误影响。例如，一个比特的信息被复制到三个比特上，这样任何一个比特都有两个备份伙伴。如果其中一个比特出错，而其他两个未翻转，则可以使用一个简单的编码（即所谓的三比特重复码）来检测错误并恢复异常比特。

由于量子比特叠加态的复杂性，它们可能发生两种类型的错误：比特翻转（与经典数字系统相同）和相位翻转（量子比特的1和0态彼此变得不同步）。研究人员已经开发出许多策略来处理量子系统中的两种错误类型，但这些方法要求量子比特拥有大量备份伙伴。事实上，当前的量子比特技术可能需要数千个额外的量子比特才能提供所需的错误保护水平。这就像一家报社雇佣一大栋楼的事实核查员来验证其文章准确性，而仅仅是一个小团队。量子计算机的开销过大且难以管理。

研究合著者表示：“我们正在进行一项长期探索，旨在构建一台有用的量子计算机，以完成即使是最优秀的超级计算机也无法完成的任务，但扩展规模是一个巨大的挑战。因此，我们正在尝试新的纠错方法以减少开销。”

该团队的新方案依赖于一种由超导电路构成的量子比特，该电路由微波振荡器组成，其中代表量子比特的1和0态被定义为两种不同的大幅度振荡。这使得量子比特态非常稳定，并且不易发生比特翻转错误。你可以将这两种振荡态想象成一个孩子在秋千上，以高振幅荡来荡去，但要么向左荡，要么向右荡。可能会刮起一阵风摇晃秋千，但振荡幅度如此之大，以至于无法快速从一个摆动方向切换到另一个方向。

事实上，“猫”量子比特这个名字指的是这些量子比特能够同时呈现两种非常大的（即宏观）状态——就像薛定谔著名思想实验中的那只猫，可以同时处于死和活的状态。

由于猫量子比特大大减少了比特翻转错误，剩下的唯一需要纠正的错误就是相位翻转错误。而只纠正一种错误意味着研究人员可以使用像经典系统中用于修复比特翻转错误那样的重复码。

研究合著者说：“像Ocelot中的重复码这样的经典编码意味着新芯片不需要那么多量子比特来纠正错误。我们已经展示了一种更可扩展的架构，可以将纠错所需的额外量子比特数量减少高达90%。”

Ocelot芯片通过组合五个猫量子比特、用于稳定其振荡的特殊缓冲电路以及四个用于检测相位错误的辅助量子比特来实现这一目标。《自然》文章中呈现的结果表明，该团队简单的重复码能有效捕获相位翻转错误，并且当编码从三个猫量子比特增加到五个猫量子比特时，其性能得到提升。更重要的是，相位错误检测过程的实现方式保持了猫量子比特中比特翻转错误的高度抑制。

这一概念验证演示仍有很长的路要走，但量子硬件负责人对Ocelot如此迅速地展示出的性能感到兴奋，并且团队正在进行更多研究以扩展该技术。“这是一个非常棘手的问题，我们需要继续投资于基础研究，同时与学术界正在进行的重要工作保持联系并学习。”

这项名为“通过级联玻色子量子比特实现硬件高效的量子纠错”的《自然》研究由某机构资助。其他作者包括某理工学院的几位教授。FINISHED