继谷歌于 2024 年 12 月发布 Willow 之后，现在我们又在 2025 年 2 月的最后一周发布了两款新的量子芯片：微软的 Majorana 1 和亚马逊的 Ocelot。
亚马逊声称： “AWS 研究人员首次将猫量子比特技术与其他量子纠错组件结合到一块微芯片上，并借鉴微电子行业的工艺，以可扩展的方式进行生产。”
新量子芯片的背景
短短三个月内，三家不同的量子制造商相继推出三款新型量子芯片，这是一个惊人的进展。它们都试图解决量子计算的基本问题：量子态的脆弱性很容易受到最轻微的环境干扰的破坏。结果就是处理错误达到令人无法容忍的程度。
任何解决方案都需要复杂的量子纠错，这目前被认为是开发可用量子计算机的最大障碍——传统方法（如果量子可以被称为传统的话）是增加量子比特的数量。
这里的问题是，要提供一个工作量子位（我们可称之为逻辑量子位），需要大量的纠错量子位（我们可称之为物理量子位）。本质上，这需要在许多（非常多）物理量子位之间共享信息才能实现一个逻辑量子位。正是巨大的物理量子位数量阻碍了可扩展量子计算机的发展。纠错是解决方案的重要组成部分，它大大减少了必要的物理量子位的数量。
QuSecure 创始人兼首席执行官 Rebecca Krauthamer 评论道：“量子计算不是一种万能的技术。构建量子计算机的方法有很多种，每种方法都有不同的权衡。”这些新芯片都采用了不同的方法来减少量子误差；因此，在研究 Ocelot 如何尝试解决量子误差问题之前，我们应该总结 Willow 和 Majorana 1 方法并进行比较。
Willow
Lastwall 首席技术官 Troy Nelson 评论道，通过使用超导量子比特，“Willow 已经能够通过改进物理量子比特测量的方式来降低位翻转和相位翻转误差的误差率。”
SandboxAQ 网络安全总经理 Marc Manzano 补充道：“谷歌的 Willow 专注于提高量子比特相干性并降低错误率，旨在随着量子比特数量的增加而减少错误。”
谷歌在 12 月的公告中证实了这一点：“利用我们在量子纠错方面的最新进展，我们能够将错误率降低一半。换句话说，我们实现了错误率的指数级降低。”
该公司声称其纠错能力已达到“低于阈值”，其中“阈值”是错误率的理论水平。低于阈值意味着可以构建任意大小的量子计算机。
有关 Willow 芯片的更多信息，请参阅《Google 的 Willow 芯片标志着后量子密码迁移的紧迫性》。
马约拉纳 1
微软的 Majorana 1不使用超导量子比特。“它采用一种完全不同的路径，用拓扑量子比特构建量子比特，”Krauthammer 解释道，“旨在通过使用称为 Majorana 零模式的奇异量子态来实现更稳定和容错的系统。在微软发布 Majorana 1 之前，这只是理论上的。”
更稳定的量子比特意味着每个逻辑量子比特所需的物理量子比特更少。微软声称，“今天，该公司已将八个拓扑量子比特放置在一个旨在扩展到一百万的芯片上。”但这种可扩展性尚未在实践中得到证实。
Rambus 硅安全产品高级总监 Scott Best 补充道：“Majorana 1 芯片是量子计算领域的一个重大突破，但只有时间才能证明他们是否找到了一条更可行的途径来实现备受追捧的‘量子比特可扩展性’。”
有关 Majorana 1 和拓扑量子位的更多信息，请参阅《微软的 Majorana 1 芯片对量子解密的意义》。
亚马逊的 Ocelot：猫量子比特和玻色子错误保护
进入 Ocelot。从架构上看，它更接近 Willow，而不是 Majorana 1。“Ocelot 和 Willow 都依赖超导电路和微波控制来操纵量子比特，它们都面临着相同的基本问题：超导量子比特速度快，是应用最广泛的架构之一，但容易出错，”Krauthammer 解释道。
但 Ocelot 的量子比特有一个特点。Ocelot 使用所谓的“猫量子比特”，以薛定谔的思想实验命名。猫量子比特对于玻色子误差校正具有重要意义，玻色子误差校正在量子谐振子的无限维希尔伯特空间内对量子信息进行编码。
Fernando Brandao 和 Oskar Painter 在亚马逊博客中对此进行了进一步解释：“一种玻色子量子误差校正使用猫量子比特，以埃尔温·薛定谔著名思想实验中的死/活薛定谔猫命名。猫量子比特使用具有明确振幅和相位的类经典状态的量子叠加来编码量子比特的信息……
“猫量子比特的主要优势在于其固有的防位翻转错误保护。增加振荡器中的光子数量可以使位翻转错误的发生率呈指数级下降。这意味着我们无需增加量子比特数，只需增加振荡器的能量，就可以使纠错效率大大提高。”
“Willow 已经能够通过改进物理量子比特测量方式来降低位翻转和相位翻转的错误率，”Nelson 说道。“另一方面，Ocelot 已将其量子比特设计为从本质上抑制位翻转错误。这种被称为‘猫量子比特’的设计已证明量子纠错效率可提高高达 90%。”
从后一种意义上来说，Ocelot 更接近 Majorana 1——这些芯片试图通过量子位设计来减少错误，而不是简单地纠正错误。
“虽然 Willow 和 Ocelot 正在改进现有技术，但 Majorana 1 仍处于早期实验阶段，需要特殊材料和精确条件，而这些条件尚未证明可扩展，”Krauthammer 说。“问题在于，改进超导架构是否会让我们更快地实现容错量子计算，或者是否需要从根本上不同的量子比特设计才能真正取得突破……无论如何，所有这些方法都在以一种真正令人兴奋的方式推动该领域朝着同一个目标前进：实用、可扩展的量子计算机。”
Manzano 补充道：“这三款芯片代表了应对量子计算挑战的不同方法。现在还处于早期阶段，‘获胜’技术尚未确定。然而，每一次进步都会推动该领域的发展，让我们更接近实现量子计算的变革潜力。”
