薛定諤的貓是一種思維實驗，在這個實驗中，一個量子事件將貓處于生死之間的模糊狀態處于在盒子中：只有當打開貓盒觀察時，才會明確貓是死了還是活著。現在，亞馬遜發布了一種新的量子計算機的設計理論藍圖，該設計圖紙基于許多的微小的“薛定諤貓”的硬件版本的組合。

傳統計算機通過開關晶體管將數據符號化為1或0，而量子計算機則使用量子比特，由于量子物理的超現實性質，量子比特可以以疊加狀態存在，即它們同時為1和0。所以從本質上講，這使每個量子位可以同時執行兩次計算。

如果兩個量子位是量子力學連接或糾纏的，它們可以同時進行2^2即4次計算；三個量子位可同時執行2^3或八個計算，......，等等。從理論上來講，一臺擁有300個量子比特的量子計算機，瞬間所執行的計算數量，比構成如今我們可見宇宙中的所有的原子加起來的總數還要多。

當前量子計算機的一個關鍵缺點是它們的內部工作方式容易出錯。”亞馬遜網絡服務（AWS）量子硬件項目負責人，加州理工學院實驗物理學家Oskar Painter說：“如果從現在的硬件位置以及處理已知的社會和商業利益的大規模問題來看，這樣的錯誤率大約有9個數量級的差距。”

科學家可以用冗余的量子位來補償這些高錯誤率。然而，這樣的策略通常需要很高的硬件開銷——例如，對于每個有用的“邏輯”量子位，它們可能需要超過1000個冗余的“物理”量子位。

另一種彌補策略涉及設計本質上對差錯穩定的量子計算機。現在，AWS量子計算中心發布了一個容錯量子計算機的理論藍圖，該計算機本質上抑制了一個主要的錯誤源。

科學家們可以從理論上使用量子系統的任何一對狀態來編碼一個量子比特，例如，分子的兩個潛在的不同能級。亞馬遜的新設計依賴于選擇使用所謂的“薛定諤貓狀態”，該狀態由成對的狀態組成，而不是彼此，就像經歷生或死的薛定諤的貓一樣。

亞馬遜量子計算機設計的基石是一個振蕩器，它以一種連貫的方式波動，即振蕩是相位移動，或者是鎖定步進。“貓的狀態”為同一振蕩器中具有相反相位的兩組相干波動的疊加。

最新發現表明，科學家們可以使基于貓狀態的量子位高度抵抗位翻轉，當量子位狀態從1翻轉到0、或從0翻轉到1的反向翻轉時，是常見的差錯來源。

Painter說：“貓量子比特具有抵御環境噪聲的內在保護作用。我們為此投資花了很多資金購買貓量子位，錯誤率降低了幾個數量級。”

當在兩個相反相位之一之間切換時，這一策略確實使貓量子位更容易受到稱為相位翻轉的另一種常見錯誤源的攻擊。但是，亞馬遜指出，隨后可以使用量子糾錯碼來補償這些錯誤，以幫助開發容錯量子計算機。

Painter表示：“通過只關注一種錯誤而不是兩種，這就大大減少了代碼所需的開銷 -- 這是最大的好處。”

亞馬遜的新設計建議使用非常緊湊的壓電納米結構作為振蕩器。但是，研究指出，要使它們足夠連貫和可靠，還有許多工作要做。這一新策略還可以采用超導存儲諧振器作為振蕩器，這是一種更為成熟的技術。

“我們現在正在考慮多種選擇，”Painter表示，“它還處于發展的早期階段，如果我們在一個方向上過于孤立，那可能會受到很大的限制。”

AWS量子算法項目負責人、加州理工學院理論物理學家Fernando Brandao說，研究人員估計了在模擬Hubbard模型（一種描述強相互作用電子的量子算法）時，他們的策略可能需要哪些硬件來超越傳統計算機。Brandao說，它不僅在分析電池設計方面有應用，而且在高溫超導體、拓撲材料和其他可能成為未來材料的奇異量子物質方面也有應用。

科學家計算出，通過使用32,000個非對稱線程超導量子干涉裝置（SQUID）來穩定貓量子位，從而可以在量子計算上獲得量子優勢。Painter表示， “通過現有技術，我們可以將這些元素擴展到10,000個，” “所以我們的可達目標鎖定在32,000以內。”

Brandao補充說，“而32,000的數字并不是一成不變的，會有關于優化的更好的主意，這個數字可能會下降。”

Painter表示，研究人員現在正致力于用硬件實現他們的想法。

編輯：jq