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亚马逊云科技宣布开放量子计算中心

量子创投界

2021-10-29

导读：亚马逊云科技量子计算中心宣布启用新的地址，这里有加州帕萨迪纳(Pasadena)最先进的设施，AMS将在这里开始建造一个容错量子计算机。

如果通过利用量子力学的特性，我们可以在最基本的层面上模拟和模拟物质的行为，甚至分子如何相互作用?使这一切成为可能的机器将是革命性的，改变我们对科学的了解以及我们探索自然寻找答案的方式。

量子计算机有潜力成为这样的机器:科学界早就知道，如果使用量子比特来执行计算，某些计算任务可以更有效地解决，而且量子计算机有望解决一些目前传统计算机无法解决的问题。但仍有许多未知:如何建造这样一个机器，使它能够处理大问题，实用的重要实际问题?如何能将它扩展到成千上万的量子比特，同时保持对脆弱量子态的精确控制，并保护它们不受环境的影响?亚马逊云科技（Amazon Web Services，缩写AWS）在设计时首先应该解决哪些客户问题?这些都是AWS量子计算中心工作的重要问题。

AWS量子计算中心

AWS量子计算中心(AWS Center for Quantum Computing)宣布启用新的地址，这里有加州帕萨迪纳(Pasadena)最先进的设施，AMS将在这里开始建造一个容错量子计算机。这座新建筑专门用于AMS的量子计算工作，包括办公空间，以容纳量子研究团队，以及由科学设备和专门工具组成的实验室，用于设计和运行量子设备。AMS的硬件工程师、量子理论家和软件开发人员团队并肩工作，解决在建造更好的量子计算机中所遇到的挑战。新设施包括推动量子研发边界所需要的一切，从制造、测试和操作量子处理器，到创新控制量子计算机的流程，以及扩展支持更大量子设备所需的技术，如低温冷却系统和布线。

从研究到现实

像建造一个容错量子计算机这样的大胆目标，自然意味着在此过程中会遇到重大的科学和工程挑战，而支持基础研究并致力于科学界研究这些问题，对于加速进展至关重要。AMS的中心位于加州理工学院校园，这使AMS能够与在几栋楼之外的物理和工程领域领先研究小组的学生和教师进行互动。

但AMS与研究界的联系还不止于此。他们与不同研究人员的关系帮助AMS保持在量子信息科学研究的前沿。例如，一些量子相关领域的专家作为亚马逊学者和亚马逊访问学者为公司的努力做出了贡献，包括Liang Jiang(芝加哥大学)、Alexey Gorshkov(马里兰大学)、John Preskill(加州理工)、Gil Refael(加州理工)、Amir Safavi-Naeimi(斯坦福大学)、Dave Schuster(芝加哥大学)、以及James Whitfield （达特茅斯学院）。即使他们继续在他们的大学教书和进行研究，这些专家仍旧帮助AMS创新，克服技术挑战。AMS相信，在这个领域的早期阶段，这种合作对于充分理解量子技术的潜在应用和社会影响至关重要。

构建更好的量子比特

在物理上实现量子计算机有很多方法：例如，量子信息可以在自然界的粒子中编码，如光子或原子，但在AWS量子计算中心，专注于超导量子比特 - 由超导材料构建的电路元件。AMS选择这种方法的部分原因是，使用众所周知的微电子制造技术制造这些量子比特的能力使团队有可能以可重复的方式制造许多量子比特，并在开始扩大量子比特的数量时给予更多控制。然而，要建立一个有用的量子计算机，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，或执行量子门操作所需的时间。更快的时钟速度意味着解决问题的速度更快，而在这里，超导量子比特又比其他方式更有优势，因为它们提供了非常快的量子门。

衡量量子比特质量的最终标准将是错误率，或者说能多准确地执行量子门。今天可用的量子设备是有噪声的，因此它们所能处理的电路大小是有限的（几千个门是我们对有噪声的中尺度量子（NISQ）设备所能希望的最好结果）。这反过来又严重地限制了它们的计算能力。

在AWS量子计算中心，有两种方法来制造更好的量子比特：第一种是通过改善物理层面的错误率，例如通过投资于减少噪音的材料改进。第二是通过创新的量子比特架构，包括使用量子纠错（QEC），通过将信息冗余编码到一个受保护的量子比特（称为逻辑量子比特）来减少量子门的错误。这允许检测和纠正门的错误，并以容错的方式在编码的量子比特上实施门操作。

创新的纠错方式

典型的QEC需要大量的物理量子比特来编码每个逻辑信息的量子比特。在AWS量子计算中心，一直在研究如何通过使用量子比特架构来减少这种消耗，使AMS能够在量子硬件中更有效地实施纠错。特别是，利用线性谐波振荡器的方法，如Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特和 "薛定谔猫 "量子比特，并在最近提出了一个基于硬件高效架构的容错量子计算机的理论设计就是利用后者量子比特。

这种方法的不同之处在于，AMS利用了一种叫做 "错误偏置 "的技术。有两种类型的错误会影响到量子计算：比特翻转（由于噪声导致的0和1状态之间的翻转）和相位翻转（0和1的叠加中的奇偶性的逆转）。在误差偏置中，使用物理量子比特，使研究团队能够以指数形式抑制比特翻转，而只线性增加相位翻转。然后将这种误差偏置与一个由猫类量子比特的线性链组成的外部重复码相结合，以检测和纠正剩余的相位翻转错误。其结果是一个容错的逻辑量子比特，在存储和操作编码的量子信息时具有较低的错误率。不需要纠正相位翻转错误是这种架构具有硬件效率的原因，并显示出巨大的扩展潜力。

为AMS客户构建未来

通往纠错的量子计算机的旅程从几个逻辑量子比特开始。团队以及量子计算领域的一个关键里程碑将是证明逻辑量子比特的盈亏平衡点，即逻辑量子比特的精度超过构成其构建块的物理量子比特的精度。团队的最终目标是提供一台纠错的量子计算机，它能够进行可靠的计算，不仅超越任何经典计算技术的能力，而且能够以解决客户实际问题所需的规模进行计算。

为什么要设定这样一个雄心勃勃的目标？最有可能产生重大影响的量子算法，例如在制造业或制药业，不可能通过简单地扩大今天的量子技术来解决。追求突破性的创新而不是渐进式的改进总是需要更长的时间，但AMS相信，从根本上重新考虑什么是好的量子比特，是提供终极计算工具的最佳途径：一台机器可以执行需要在每个量子比特上进行数十万到数十亿次量子门操作的算法，并且在门的总数上最多出现一个错误，这是解决具有社会和商业价值的最复杂计算问题所需要的精度水平。