薛定諤的貓是一種思維實驗，在這個實驗中，一個量子事件將貓?zhí)幱谏乐g的模糊狀態(tài)處于在盒子中：只有當(dāng)打開貓盒觀察時，才會明確貓是死了還是活著。現(xiàn)在，亞馬遜發(fā)布了一種新的量子計算機的設(shè)計理論藍圖，該設(shè)計圖紙基于許多的微小的“薛定諤貓”的硬件版本的組合。

傳統(tǒng)計算機通過開關(guān)晶體管將數(shù)據(jù)符號化為1或0，而量子計算機則使用量子比特，由于量子物理的超現(xiàn)實性質(zhì)，量子比特可以以疊加狀態(tài)存在，即它們同時為1和0。所以從本質(zhì)上講，這使每個量子位可以同時執(zhí)行兩次計算。

如果兩個量子位是量子力學(xué)連接或糾纏的，它們可以同時進行2^2即4次計算；三個量子位可同時執(zhí)行2^3或八個計算，......，等等。從理論上來講，一臺擁有300個量子比特的量子計算機，瞬間所執(zhí)行的計算數(shù)量，比構(gòu)成如今我們可見宇宙中的所有的原子加起來的總數(shù)還要多。

當(dāng)前量子計算機的一個關(guān)鍵缺點是它們的內(nèi)部工作方式容易出錯?！眮嗰R遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）量子硬件項目負(fù)責(zé)人，加州理工學(xué)院實驗物理學(xué)家Oskar Painter說：“如果從現(xiàn)在的硬件位置以及處理已知的社會和商業(yè)利益的大規(guī)模問題來看，這樣的錯誤率大約有9個數(shù)量級的差距?！?/p>

科學(xué)家可以用冗余的量子位來補償這些高錯誤率。然而，這樣的策略通常需要很高的硬件開銷——例如，對于每個有用的“邏輯”量子位，它們可能需要超過1000個冗余的“物理”量子位。

另一種彌補策略涉及設(shè)計本質(zhì)上對差錯穩(wěn)定的量子計算機。現(xiàn)在，AWS量子計算中心發(fā)布了一個容錯量子計算機的理論藍圖，該計算機本質(zhì)上抑制了一個主要的錯誤源。

科學(xué)家們可以從理論上使用量子系統(tǒng)的任何一對狀態(tài)來編碼一個量子比特，例如，分子的兩個潛在的不同能級。亞馬遜的新設(shè)計依賴于選擇使用所謂的“薛定諤貓狀態(tài)”，該狀態(tài)由成對的狀態(tài)組成，而不是彼此，就像經(jīng)歷生或死的薛定諤的貓一樣。

亞馬遜量子計算機設(shè)計的基石是一個振蕩器，它以一種連貫的方式波動，即振蕩是相位移動，或者是鎖定步進?！柏埖臓顟B(tài)”為同一振蕩器中具有相反相位的兩組相干波動的疊加。

最新發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)家們可以使基于貓狀態(tài)的量子位高度抵抗位翻轉(zhuǎn)，當(dāng)量子位狀態(tài)從1翻轉(zhuǎn)到0、或從0翻轉(zhuǎn)到1的反向翻轉(zhuǎn)時，是常見的差錯來源。

Painter說：“貓量子比特具有抵御環(huán)境噪聲的內(nèi)在保護作用。我們?yōu)榇送顿Y花了很多資金購買貓量子位，錯誤率降低了幾個數(shù)量級?！?/p>

當(dāng)在兩個相反相位之一之間切換時，這一策略確實使貓量子位更容易受到稱為相位翻轉(zhuǎn)的另一種常見錯誤源的攻擊。但是，亞馬遜指出，隨后可以使用量子糾錯碼來補償這些錯誤，以幫助開發(fā)容錯量子計算機。

Painter表示：“通過只關(guān)注一種錯誤而不是兩種，這就大大減少了代碼所需的開銷 -- 這是最大的好處?！?/p>

亞馬遜的新設(shè)計建議使用非常緊湊的壓電納米結(jié)構(gòu)作為振蕩器。但是，研究指出，要使它們足夠連貫和可靠，還有許多工作要做。這一新策略還可以采用超導(dǎo)存儲諧振器作為振蕩器，這是一種更為成熟的技術(shù)。

“我們現(xiàn)在正在考慮多種選擇，”Painter表示，“它還處于發(fā)展的早期階段，如果我們在一個方向上過于孤立，那可能會受到很大的限制?！?/p>

AWS量子算法項目負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家Fernando Brandao說，研究人員估計了在模擬Hubbard模型（一種描述強相互作用電子的量子算法）時，他們的策略可能需要哪些硬件來超越傳統(tǒng)計算機。Brandao說，它不僅在分析電池設(shè)計方面有應(yīng)用，而且在高溫超導(dǎo)體、拓?fù)洳牧虾推渌赡艹蔀槲磥聿牧系钠娈惲孔游镔|(zhì)方面也有應(yīng)用。

科學(xué)家計算出，通過使用32,000個非對稱線程超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）來穩(wěn)定貓量子位，從而可以在量子計算上獲得量子優(yōu)勢。Painter表示， “通過現(xiàn)有技術(shù)，我們可以將這些元素擴展到10,000個，” “所以我們的可達目標(biāo)鎖定在32,000以內(nèi)。”

Brandao補充說，“而32,000的數(shù)字并不是一成不變的，會有關(guān)于優(yōu)化的更好的主意，這個數(shù)字可能會下降?！?/p>

Painter表示，研究人員現(xiàn)在正致力于用硬件實現(xiàn)他們的想法。

編輯：jq