量子计算机有望推动从医学、制造业到材料生产方式等各个领域的重大进步。
然而，尽管量子计算机能够帮助我们解决传统计算机目前无法解决的问题，但它们也更容易出错——主要是因为它们对环境中的微小变化极其敏感。
亚马逊于2019年启动了AWS量子计算中心，旨在加速量子计算技术和应用的发展。如今，该公司正在加州理工学院（Caltech）启动一个新的量子计算设施，其宏伟目标是构建一台“容错”量子计算机。团队将专注于开发更强大的量子计算硬件，并探索量子技术的新应用场景。
以下是他们将要绞尽脑汁应对的五大挑战：
制造更多、更优质的量子比特
传统计算机使用比特——通常表示为值 1 或代码中的 0——作为其最基本的信息单元。一个比特可以是具有两种不同状态的任何事物，例如一盏亮或灭的灯，或者一扇开或关的门。但量子计算机使用量子比特（qubits）——通常是电子或光子等基本粒子——来进行计算。与经典比特不同，量子比特可以被操控以处于一种称为“叠加”的状态，其中它们同时处于1和0的状态，以及介于两者之间的所有可能状态。这些特性，加上量子比特在量子态下其他同样令人难以置信的行为，使得量子计算机能够以指数级更高的效率执行某些计算任务，远超任何当前或未来的传统计算机。AWS团队将使用超导材料（如铝）来构建量子比特，这些材料被图案化为硅微芯片上的电路。这是因为制造这些材料的工艺已经非常成熟，从而可以大规模、可重复地生产更多的量子比特。
一位 AWS 量子硬件工程师正在操作一台稀释制冷机。稀释制冷机可将量子处理器冷却至比外太空更低的温度。
保持安静
量子比特能够处于量子态的能力，使得量子计算机在执行某些计算时有可能比传统计算机强大得多。但让量子比特保持这种状态——姑且这么说——是一个巨大的难题。即使其环境发生最微小的变化（量子科学家称之为“噪声”），例如振动或热量，也可能使它们脱离叠加态，导致信息丢失并更容易出错。构建成功量子计算机的关键在于控制这些错误。AWS 将投资的一个领域是通过材料改进来减少噪声，例如逐原子层制备表面的超导体，以最大限度地减少缺陷。
开发更大规模的量子计算机
构建量子计算机最具挑战性的方面之一是如何实现规模化扩展。为了超越传统计算机目前的能力范围，量子计算机必须比现有设备庞大得多。当前的量子计算机存在“噪声”且容易出错。量子研究人员的目标是将仅有少量含噪量子比特的系统，扩展为拥有数百个乃至数千个极低噪声量子比特的机器。新的 AWS 设施配备了团队推进量子研发边界所需的一切资源，包括支持更大规模量子设备的技术，例如用于保护设备免受热噪声影响的低温冷却系统，以及用于构建新型量子电路的纳米级制造工具。
微波封装包裹着量子处理器。该封装设计旨在屏蔽量子比特免受噪声干扰，同时支持与控制系统的通信。
降低纠错成本
除了投资减少噪声的创新技术外，AWS 还将致力于在量子计算硬件中集成纠错功能，利用冗余的物理量子比特集合构成所谓的“逻辑”量子比特，以编码量子信息并检测及纠正错误。由于生成逻辑量子比特需要大量的物理硬件，这种方式的纠错通常成本高昂且资源密集。AWS 正在研究通过设计更高效的纠错实施方法，以降低这些成本。
提升时钟速度
构建实用的量子计算机不仅仅是增加量子比特的数量。另一个重要指标是计算机的时钟速度，即执行“量子门操作”并保证准确性的时间。（量子门本质上是量子电路的基本构建模块——量子计算机进行计算的模型。）超导量子比特在此方面具有优势，因为它们更容易加速量子门操作。随着 AWS 努力构建更优质的量子比特，其最终的成功衡量标准将是：在降低量子门错误的同时，能在多大程度上提升时钟速度。
AWS 量子计算中心
位于加州理工学院校园内的 AWS 量子计算中心。
AWS 量子计算中心汇聚了来自亚马逊、加州理工学院及其他顶尖学术研究机构量子计算领域的专家。该中心还为学生提供奖学金和培训机会，助力年轻学者，从而支持未来的量子科学家。
该中心的终极目标是构建一种全新类型的计算机：一台容错量子机器，能够执行精确的计算，其能力远超传统计算技术在解决可能对人们生活和工作的方方面面产生重大影响的复杂问题时所具备的规模。
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