亚马逊与 Alice & Bob 展开竞争，“猫”量子比特或将崛起

量子计算新秀 Alice & Bob 正在利用“猫”量子比特技术，这一技术有望极大加速量子计算机破解 RSA-2048 加密的速度，使得实施 Shor 算法所需的量子比特数量减少至原来的 1/60。

与此同时，技术巨头亚马逊也在积极探索这一领域的先进技术[1]。

01. 量子计算的核心思想

人们常常将量子计算机的基本构建模块与著名的思想实验“薛定谔的猫”相提并论。在这个实验中，量子物理学使一只猫在盒子里处于生与死的模糊状态，直到有人观察它。

如今，一家法国初创公司Alice & Bob宣称，通过模仿薛定谔的猫，它可以使强大的量子计算机比之前预期的更快地成为现实，而亚马逊也在追求这一策略。

与经典计算机使用晶体管将数据编码为1或0不同，量子计算机使用量子比特（Qubits）。基于量子力学的特性，量子比特可以同时处于1和0的叠加状态，随着量子比特数量增加，其计算能力也呈指数级增长。

图｜ Alice & Bob 猫量子比特芯片（来源：Alice & Bob）

02. 猫量子比特

Alice & Bob 正在研究的量子硬件是基于超导的量子比特（“猫”量子比特），依赖于可以在两种振荡状态之间波动的超导微波谐振器。

在实现量子比特的超导电路中，transmon 是最受关注的一种，并已被许多当前的参与者如谷歌、IBM等所选择，从本质上讲，它具有较长的相干时间，并且易于制造和操作，这使其成为主要候选者。

对于猫量子比特而言，当前，也只有Alice & Bob 和亚马逊在该技术栈上发力。

然而，对于transmon超导量子比特，尽管过去10年不断取得进展，但其错误率改善速度已经放缓，这使得主动量子纠错成为进一步进步的必要条件。

与许多其他玻色码（GKP、二项式）一样，猫量子比特通过利用谐振子的大希尔伯特空间来减少纠错所需的硬件。

在相同数量的物理系统的情况下，玻色码能够在更多状态下使量子信息离域化，从而用更少的物理系统实现相同数量的保护，这种特性被称为“硬件效率”。

有了猫量子比特，就可以自主地做到这一点。

更准确地说，研究人员已经实现了一种简单的动力学，能够稳定谐振子中振幅和相反相位的两个相干态。至关重要的是，这种稳定性以指数方式降低了中位翻转的概率（从+  到 - ），同时仅线性增加了相位翻转率。

为了纠正剩余的错误，可以使用线性重复码来达到足够小的错误率，以适应大多数有影响力的应用（从 RSA 破解到从头药物设计)。

也就是说，基于猫态的量子比特对于位翻转的常见错误源具有很强的抵抗力。

图｜猫量子比特的布洛赫球体，以及四个基点的维格纳函数。维格纳函数是一种表示无限维希尔伯特空间中量子态的方法。在此表示中，0 和 1 状态之间的微小重叠以及猫状态的奇偶性很容易可视化。奇偶校验由位于每个颜色图中心的“边缘”的颜色表示。这里蓝色边缘表示偶校验，而红色表示奇校验。（来源：亚马逊）

03.  解密，量子比特数削减60倍

首先引起广泛关注的量子计算应用是密码破解。

例如，许多现代密码学都依赖于经典计算机在解决诸如因式分解等数学问题时所面临的非凡困难。

然而，使用Shor的整数分解量子算法，量子计算机原则上可以快速破解高度安全的RSA-2048加密。

但是，当前量子计算机的一个关键缺点是其内部运作容易出错。

为了克服这些高错误率，科学家可以使用冗余量子比特。然而，这些量子纠错策略通常需要较高的硬件开销。

研究表明，使用当前量子计算机，Shor 的算法需要大约2200 万个量子比特才能破解 RSA-2048[5]。

据Alice & Bob透露，相比之下，Alice & Bob 只需要大约350,000个猫态量子比特即可完成相同的任务[6]。

也就是说，Alice & Bob 可以将Shor算法所需的量子比特数量削减60倍。

04. 未来展望

Alice & Bob 有望在今年底推出一个14量子比特的系统，该系统能够展现出错误率的指数级下降。同时，他们也致力于减少其猫态量子比特的相翻转错误。

值得注意的是，亚马逊也在深入探索猫态量子比特技术。对此，Alice & Bob 的首席执行官及联合创始人 Théau Peronnin 认为，与亚马逊这样的巨头竞争，不仅为他们的技术提供了外部的认可，更为整个团队带来了前所未有的激励。

引用：[1]https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/designing-a-fault-tolerant-quantum-computer-with-cat-qubits/#:~:text=for%20example%20the%20%E2%80%9CSchr%C3%B6dinger%20cat%E2%80%9D%20qubit[2] https://spectrum.ieee.org/amazon-quantum[3] https://alice-bob.com/technology/[4]https://www.nature.com/articles/s41567-020-0824-x?proof=t[5] https://arxiv.org/abs/1905.09749[6]https://arxiv.org/abs/2302.06639

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