正式流片！Alice&Bob发布纠错逻辑量子比特芯片
光子盒研究院
法国量子初创公司Alice&Bob已经流片出了纠错逻辑量子比特的原型。
今天，在容错量子计算机竞赛中处于领先地位的硬件开发商Alice&Bob宣布推出一款新芯片，预计每增加一个量子比特就能提高错误率，使其成为该公司首个纠错逻辑量子比特的原型。
据公司介绍，Helium 1标志着该公司迈向第一个纠错逻辑量子比特和实用量子计算机路线图的重要里程碑。
16量子比特的量子处理单元（QPU）“Helium 1”是Alice&Bob路线图中的第一款芯片，它结合了猫量子比特来运行纠错码。该公司将能够利用这一平台创建首个逻辑量子比特，其错误率低于任何现有的单个物理量子比特。
现在，预计随着“磁带输出”（tape-out）的完成，芯片将进入表征和校准阶段，随后将在云端发布。
量子产业正处于展示逻辑量子比特的曙光期，它比任何现有物理量子比特都具有显著优势；这种逻辑量子比特是实现容错量子计算所需的极低错误率的唯一途径。
量子计算机中的错误是由比特翻转和相位翻转造成的。但是，如果你需要30个物理量子比特来处理比特翻转错误、30个物理量子比特来处理相位翻转错误，那么你最终需要近1000个物理量子比特来制作一个无差错的逻辑量子比特——这是使用transmon（对电荷噪声不太敏感的超导电荷量子比特）和表面码进行纠错的标准量子架构的典型数字。
这意味着巨大的硬件开销。而且只有当物理量子比特的保真度足够高时，它才会起作用，这对保真度造成了巨大的负担。因此，这就是障碍所在：一个尖锐的物理问题，仅靠纠错最多只能将其变成一个巨大的工程问题。
怎么办？
猫量子比特在设计上防止了相位翻转，具有硬件效率高的特点，能够使用更少的量子比特进行逻辑量子比特设计。Helium 1将运行一个纠错码，主动抑制剩余的相位翻转，从而有效地解决这两种错误类型。
Alice&Bob公司首席执行官Théau Peronnin曾公开说：“我们的猫量子比特技术在处理比特翻转方面已经创下了世界纪录。Helium 1号是我们的新平台，随着深度的增加，它可以成倍地抑制剩余错误，使我们能够实现我们明确的路线图，充分发挥量子计算机的计算潜力。”
事实上，Helium 1是第一个原型，将成为Alice&Bob的“六个九”（six-nines）逻辑量子比特（逻辑错误率为10^-6或更低）的基础。
量子计算机的构件通常被认为是模仿著名的“薛定谔的猫”思想实验，在这个实验中，量子物理学实质上是将一只猫悬浮在一个盒子里，处于生与死之间的模糊状态：只有当有人往盒子里看时，这只猫才能确定是生是死。
现在，法国初创公司Alice&Bob正尽可能接近地模仿薛定谔的猫，以帮助超强量子计算机比以前想象的更快成为现实——亚马逊也在追求这一技术路线。
这种新策略依赖于所谓的“猫态”，即一对截然不同的量子态，就像埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）曾经著名地假设过的“活”猫和“死”猫一样。具体来说，这家初创公司依靠的是可以在两种振荡状态之间波动的超导微波谐振器； 薛定谔猫态是两种相干光态的量子叠加，它们实际上是彼此的镜像。
当前量子计算机的一个关键缺点是其内部工作容易出错，科学家们可以利用冗余量子比特克服错误的操作来弥补这些高错误率；不过，这些量子纠错策略往往需要很高的硬件开销。例如，每一个有用的“逻辑”量子比特可能需要1000多个冗余的“物理”量子比特。
另一种策略则从本质上注重质量而非数量，即设计出具有内在稳定抗错能力的量子比特。总部位于巴黎的法国初创公司Alice&Bob就选择了这一路径，其策略可以将肖尔算法所需的量子比特数量减少60倍。
研究人员发现，基于“猫态”的量子比特具有很强的抗误差能力，这种常见的误差源被称为“比特翻转”：即量子比特的状态从1翻转到0或相反。
这种方法确实使猫态量子比特更容易受到另一种常见错误源（即相位翻转）的影响。不过，该公司指出，只需纠正一个常见错误源而不是两个，这大大简化了量子计算机的设计。
事实上，猫比特技术的关键特性取决于执行非线性光学操作的能力。
如果想处理量子信息，就必须对量子比特进行逻辑运算，即门。单量子比特门是通过微波源（相当于微波频率激光器）的单光子驱动猫来实现的。执行量子纠错所需的双量子比特门是受控-非（CNOT）门。当控制量子比特的状态允许时，它就会精确地翻转目标猫的状态。
为了实现CNOT门，科学家们设计了另一种著名的光学效应：光机械相互作用。在光机械系统中，光腔内光子的辐射压力会使连接在弹簧上的镜子发生位移，从而形成共振。这种相互作用并非超导电路所独有，而是与双光子耗散一样，是通过参数化过程设计出来的。
使用的约瑟夫森结——由夹在两个超导体之间的一层绝缘体构成的纳米级元件，通过构建包含约瑟夫森结的超导电路，科学家们可以设计出系统元件之间所需的相互作用。
这与非线性光学中将非线性晶体插入光腔时发生的情况十分相似。但与光学的一个重要区别是，微波光子与约瑟夫森结之间的相互作用可以比光学光子与晶体之间的典型相互作用强百倍以上。
——这意味着在超导电路中设计的非线性效应也同样更强。
就在几年前，建造一台容错量子计算机似乎还是一项不可能完成的壮举。这无疑是当今的重大技术挑战之一，但我们每天都在以越来越快的速度接近它：这要归功于像猫量子比特这样的技术，它们极大地受益于光子学领域。
目前，该公司的猫态量位可在10秒内降级（比特翻转时间大约为10秒）。公司的目标是将这一时间缩短到8小时，然后再缩短到一个月。
这家初创公司的目标是在未来几年内开发出一种能实现一个逻辑量子比特的40量子比特设备：这种系统能以指数级的速度减少误差。
参考链接（上下滑动查看更多）：
[1]https://thequantuminsider.com/2023/12/19/alice-bob-takes-another-step-toward-releasing-error-corrected-logical-qubit/
[2]https://www.eenewseurope.com/en/alice-bob-tape-out-16-qubit-quantum-processor/
[3]https://thequantuminsider.com/2023/12/19/alice-bob-takes-another-step-toward-releasing-error-corrected-logical-qubit/
[4]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/alice-bob-announces-tape-out-of-new-helium-1-16-qubit-quantum-processing-unit/
[5]https://www.abc27.com/business/press-releases/ein-presswire/675967097/alice-bob-tapes-out-quantum-chip-to-perform-error-correction-and-to-demonstrate-a-logical-qubit-prototype/
[6]https://spectrum.ieee.org/schrodingers-cat-qubit
[7]https://www.laserfocusworld.com/optics/article/14300977/encoding-quantum-information-in-states-of-light
[8]https://alice-bob.com/category/press-release/
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