亚马逊AWS量子计算中心正式落成

光子盒研究院出品

10月26日，亚马逊宣布AWS量子计算中心正式落成，这是位于加州理工学院校园的一个先进设施，他们将在这里开启构建容错量子计算机的旅程。这栋建筑为量子研究团队提供了办公空间以及设计和运行量子设备的科学实验室。

AWS量子计算中心是亚马逊和加州理工学院合作的项目，在2019年12月启动。

亚马逊表示：“该中心包括推动量子计算研发所需的一切，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。”

AWS量子计算中心位于加州帕萨迪纳市的加州理工学院校园。

建立一台容错量子计算机是一个大胆的目标，意味着在这一过程中将面临重大的科学和工程挑战。AWS量子计算中心位于加州理工学院校园内，这使其能够与几栋楼之外的物理和工程领域的主要研究团队的学生和教师进行互动。他们选择与加州理工学院合作的部分原因是，后者在计算领域(包括经典计算和量子计算)有着悠久历史——从理查德·费曼在40年前开创了量子计算领域，到如今AWS量子计算中心的技术负责人Oskar Painter(应用物理学教授，量子硬件负责人)和Fernando Brandao(理论物理学教授，量子算法负责人)。通过这种合作关系，他们还为学生和年轻教师提供奖学金和培训机会，支持下一代量子科学家。

亚马逊与研究界的联系并不止于此。亚马逊与众多研究人员的关系帮助他们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也为他们做出了贡献，包括获得APS量子计算奖的蒋良(芝加哥大学)、Alexey Gorshkov(马里兰大学)、John Preskill(加州理工学院)、Gil Refael(加州理工学院)、Amir Safavi-Naeimi(斯坦福大学)、Dave Schuster(芝加哥大学)和James Whitfield(达特茅斯学院)。亚马逊表示，这些专家帮助他们创新和克服技术挑战。

AWS量子计算中心专注于超导量子比特——由超导材料构成的电路元件。他们选择这种方法的部分原因是，利用人们熟知的微电子制造技术制造这些量子比特的能力，使得以可重复的方式制造许多量子比特成为可能，未来在他们开始扩大量子比特的数量时提高控制能力。

但建造一台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，即执行量子门操作所需的时间。更快的时钟速度意味着能够更快地解决问题，在这里，超导量子比特比其他模式具有优势，因为它们提供了非常快的量子门。

一名AWS量子硬件工程师在一个稀释型制冷机上工作。超导量子器件的性能依赖于精确的布线配置和屏蔽，以最小化导致噪声的波动。

量子比特质量的最终衡量标准将是错误率，或者我们能够执行量子门的准确程度。目前可用的量子设备是有噪声的，因此它能处理的电路的大小有限（对于含噪声中等规模量子(NISQ)设备，几千个门是我们所能期望的最好的）。这反过来严重限制了它们的计算能力。

在AWS量子计算中心，他们提出了两种方法来制造更好的量子比特：第一种是通过提高物理层面的错误率，例如通过改进材料来降低噪音。第二种是通过创新量子比特架构，包括使用量子纠错(QEC)，通过将信息冗余编码到受保护的量子比特(逻辑量子比特)来减少量子门错误。这种方法检测和校正门错误，并以容错方式在编码的量子比特上实现门操作。

典型的QEC需要大量的物理量子比特来编码每个量子比特的逻辑信息。在AWS量子计算中心，研究人员一直在研究通过创新量子比特架构来减少QEC开销的方法，这种架构允许他们在量子硬件中更有效地实现纠错。特别是，他们对使用线性谐振子的方法持乐观态度，例如Gottesman Kitaev-Preskill(GKP)量子比特和“薛定谔猫”量子比特，并在最近提出了一种基于硬件高效架构的容错量子计算机的理论设计。

量子计算有两种类型的错误：比特翻转(由于噪声在0和1之间翻转)和相位翻转(0和1叠加时奇偶性翻转)。亚马逊利用了一种“错误偏置”技术，该方法能够以指数方式抑制比特翻转的同时，只是线性地增加相位翻转。然后，将这种错误偏置与由线性猫量子比特的线性链组成的外部重复码相结合，以检测和校正剩余的相位翻转错误。这样可以得到一个容错逻辑量子比特，在存储和操作编码的量子信息时具有较低的错误率。不必纠正比特翻转错误是这个架构硬件效率高并且具有巨大扩展潜力的原因。

纠错量子计算机的一个关键里程碑是达到量子纠错的盈亏平衡点——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。亚马逊的最终目标是提供一台纠错量子计算机，它不仅能够执行任何经典计算技术都无法实现的可靠计算，而且能够以解决具有实际重要性的客户问题所需的规模进行计算。

封装的AWS量子处理器。封装设是计为了保护量子比特免受环境噪声的影响，同时实现与量子计算机的控制系统的通信。

为什么要设定这么远大的目标？因为最有可能产生重大影响(在制造业或制药业)的量子算法不能简单地通过扩展当今的量子技术来解决。AWS相信，一台机器可以在每一个量子比特上执行需要几十万到几十亿量子门操作的算法，错误最多比门的总数多一个，这是解决具有社会和商业价值的最复杂计算问题所需的精度水平。

参考链接：

https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/announcing-the-opening-of-the-aws-center-for-quantum-computing/

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