许多人知道，薛定谔的猫是一种思想实验，其中量子事件使猫处于生死之间的模糊状态，只有当打开猫盒观察时，才肯定猫是死了还是活着。

现在，亚马逊发布了一种量子计算机的新的设计理论蓝图，该设计图纸基于许多的微小的“薛定谔猫”的硬件版本的组合。

传统计算机通过打开或关闭晶体管而将数据符号表示为1或0，而量子计算机则使用量子位，由于量子物理学的超现实性质，它们可以以叠加状态存在，即它们同时为1和0。所以从本质上讲，这使每个量子位可以同时执行两次计算。

如果两个量子位以量子力学方式连接或纠缠在一起，则它们可以帮助同时执行2^2即四个计算，三个量子位可同时执行2^3或八个计算，......，等等。从理论上讲，具有300个量子位的量子计算机，瞬间所执行的计算数量，比构成如今我们可见宇宙中的所有的原子加起来的总数还要多。

曾担任普朗克光科学研究所所长、卡夫里纳米科学研究所联合主任，现为亚马逊网络服务(AWS)的量子硬件程序设计负责人、加州理工学院的实验物理学家、奥斯卡-彭特教授表示，当前的量子计算机的一个关键缺陷是其内部工作方式容易出错。 “如果从现在的硬件位置以及处理已知的社会和商业利益的大规模问题来看，这样的错误率大约有9个数量级的差距。”

科学家可以使用冗余量子位来弥补这些高错误率。但是，这样的策略通常在硬件方面需要很高的消耗，譬如说，对于每个有用的“逻辑”量子位，则可能需要1000多个冗余的“物理”量子位。

另一种弥补策略涉及设计本质上对差错稳定的量子计算机。为此，亚马逊网络服务(AWS)量子计算中心发布了一种容错型量子计算机的新设计，该计算机在本质上抑制了主要的错误源，旨在通过一种制造量子位的新方法来抑制压倒性的错误。

从理论上讲，科学家可以使用量子系统的几乎任何一对状态来编码量子位，例如，一个分子潜在的许多不同能级中的两个。亚马逊的新设计依赖于选择使用所谓的“薛定谔猫状态”，该状态由成对的状态组成。

这种量子计算机设计的基石是一个振荡器，它以连贯的方式波动，也就是说，振荡是同相移动或锁步移动。“猫的状态”为同一振荡器中具有相反相位的两组相干波动的叠加。

最新发现表明，科学家们可以使基于猫状态的量子位高度抵抗位翻转，当量子位状态从1翻转到0、或从0翻转到1的反向翻转时，是常见的差错来源。

彭特说：“猫量子比特具有抵御环境噪声的内在保护作用。” “我们为此投资花了很多资金购买猫量子位，错误率降低了几个数量级。”

当在两个相反相位之一之间切换时，这一策略确实使猫量子位更容易受到称为相位翻转的另一种常见错误源的攻击。但是，亚马逊指出，随后可以使用量子纠错码来补偿这些错误，以帮助开发容错量子计算机。

“通过只关注一种错误而不是两种错误，可以大大减少代码所需的开销，” “这是最大的好处。”

亚马逊的新设计建议使用非常紧凑的压电纳米结构作为振荡器。但是，研究指出，要使它们足够连贯和可靠，还有许多工作要做。这一新策略还可以采用超导存储谐振器作为振荡器，这是一种更为成熟的技术。

“我们现在正在考虑多种选择。” “它还处于发展的早期阶段，如果我们在一个方向上过于孤立，那可能会受到很大的限制。”

亚马逊网络服务(AWS)量子算法计划负责人、加州理工学院理论物理学家、费尔南多·布兰道说，在研究估计哪种硬件才能胜过传统计算机时，这一问题归于模拟赫巴德模型。

赫巴德模型(Hubbard Model)，是一种描述了电子强相互作用的量子算法，是当代凝聚体物理学许多研究领域(磁性理论、近藤效应、分数量子霍尔效应等)的基本出发点。

布兰道说，它不仅可以用于分析电池设计，还可以用于分析高温超导体、拓扑材料、“以及可能希望成为未来材料的其他奇异量子物质”。

费尔南多·布兰道(Fernando Brandao)：《物理报告》杂志编辑。由于“他在纠缠理论、量子复杂性理论、和量子多体物理学方面的卓越评价，结合了令人眼花缭乱的数学能力和令人印象深刻的物理见解，他被授予2013年欧洲量子信息奖。 由于他对纠缠理论的贡献，他被授予2020年美国物理学会“兰道尔-本内特量子计算奖”。

科学家计算出，通过使用32,000个非对称线程超导量子干涉装置(SQUID)来稳定猫量子位，从而可以在量子计算上获得量子优势。彭特表示， “通过现有技术，我们可以将这些元素扩展到10,000个，” “所以我们的可达目标锁定在32,000以内。”

布兰道补充说，“而32,000的数字并不是一成不变的，” “会有关于优化的更好的主意，这个数字可能会下降。”

参考：

https://arxiv.org/abs/2012.04108

https://aws.amazon.com/blogs/quantum-computing/designing-a-fault-tolerant-quantum-computer-with-cat-qubits/

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