量子计算被视为计算技术的下一个革命性前沿，有望攻克传统计算机难以应对的复杂问题，包括材料科学模拟、药物研发和密码学等领域。如今，亚马逊、谷歌和微软等科技巨头正在这一领域展开激烈竞争，各自砸下重金布局自己的量子计算技术路线。
当地时间 2 月 26 日，亚马逊云服务（AWS，Amazon Web Services）宣布推出首款量子计算芯片“Ocelot”（豹猫），正式进军量子计算硬件领域。这标志着亚马逊不再只满足于提供量子计算服务，而是开始向全栈量子计算解决方案进军，与谷歌和微软形成三足鼎立之势。
图丨 Ocelot 芯片（来源：Amazon）
AWS 量子硬件负责人 Oskar Painter 表示：“随着量子研究的不断突破，实用且容错的量子计算机已不再是‘能否实现’的问题，而是‘何时实现’的问题。Ocelot 正是通往实用量子计算机道路上的关键一步。”
Ocelot 量子芯片采用了一种称为“猫量子比特”（cat qubit）的架构，这一名称源自著名的薛定谔猫思想实验。这种量子比特可以同时处于多个状态，类似于薛定谔的猫同时处于“生”与“死”的叠加状态一样。
Ocelot 芯片面积约一平方厘米，内含 9 个量子比特，其中 5 个是“猫量子比特”用于存储信息，另外 4 个是 transmon 量子比特，负责监控猫量子比特中的信息。这与谷歌和 IBM 的量子计算机有本质不同，后者的计算部分全部采用 transmon 量子比特。
根据团队发表在《自然》杂志上的论文，Ocelot 中的猫量子比特实际是微波辐射的微型空心结构，由钽材料制成并附着在硅芯片上。这种设计与传统超导量子比特（如谷歌和 IBM 使用的 transmon）不同，为量子计算开辟了全新技术路径。
图丨相关论文（来源：Nature）
论文中的实验数据显示，Ocelot 芯片实现了相当出色的量子比特性能。在平均光子数 |α|²=2 的条件下，Ocelot 的猫量子比特可实现超过 1 毫秒的位翻转时间和 27-33 微秒的相位翻转时间。这意味着噪声比率超过 30：1，对量子错误修正至关重要。
研究团队还展示了将波色子量子比特与外部重复编码结合的成果。在 d=5 距离编码的逻辑量子比特记忆体测试中，每个错误修正周期的逻辑错误率在 d=3 编码段为 1.75%，在 d=5 编码段为 1.65%。虽然 d=5 编码的故障点更多，但由于在错误修正过程中保持了高度噪声偏置，两者性能相当。
图丨表征逻辑位翻转错误率（来源：Nature）
Painter 强调：“未来基于 Ocelot 架构的量子芯片，错误修正所需资源将大幅减少，成本可能只有当前方案的五分之一。这有望将实用量子计算机的实现时间提前五年。”
目前，量子计算最大的拦路虎是“噪声”问题。量子比特极其脆弱，从微小振动、手机电磁波到宇宙射线，各种环境因素都可能破坏量子状态，导致计算出错。
传统量子错误修正方法需要耗费大量额外的量子比特来确保计算可靠性。2024 年谷歌用了 105 个量子比特才编码出单个错误修正的量子信息位。这种高昂的硬件开销让大规模量子计算难以落地，而亚马逊的设计策略要求每个信息比特仅需十分之一的量子比特。
亚马逊的突破在于从根本上改变了错误修正思路。美国耶鲁大学物理学家 Shruti Puri 解释说：“量子错误主要有两种——位翻转和相位翻转。位翻转类似传统计算中的 0 变 1 或 1 变 0，而相位翻转则是量子计算特有的错误类型。”
猫-transmon 设计让亚马逊工程师打造出一种错误主要表现为相位翻转的量子计算机。由于|±α⟩相干态在相空间的分离，位翻转错误率会随着猫尺寸|α|²指数级降低，而由单光子损失和加热引起的相位翻转错误，其速率仅与|α|²成线性关系。
AWS 研究人员在量子错误修正关键操作 C-NOT 门上取得了重大突破，实现了一种噪声偏置版本，最大限度减少了辅助比特错误引发的数据比特意外翻转。这让他们能使用比谷歌简单得多、资源消耗更少的错误修正算法。
研究团队深入研究了逻辑量子比特记忆的性能和扩展性，发现相位翻转纠错重复编码表现良好。随着猫量子比特平均光子数增加，逻辑位翻转错误得到有效抑制，这要归功于他们开发的猫-transmon 噪声偏置 CX 门。
（来源：Nature）
随着亚马逊推出 Ocelot 芯片，量子计算领域的技术路线竞争也更加明朗。目前，三大科技巨头各自采取了不同的技术路径：
微软 2 月 19 日公布了“Majorana 1”量子芯片，基于“拓扑量子比特”技术。微软声称创造出了世界首个“拓扑导体”，这是一种此前只存在于理论中的新型物质形态——既非固体、液体也非气体。这种特殊材料构成了其量子芯片的核心，目标是打造更稳定的量子计算机。
图丨微软的 Majorana 1（来源：微软）
谷歌则坚持走超导 transmon 量子比特路线，并在 2 月 5 日信心满满地表示，未来五年内将推出商业化量子计算应用。谷歌自 2012 年起就开始研究量子计算，认为这项技术能够用于开发更高性能电池、新药物和新能源。
亚马逊的猫量子比特技术代表了第三条技术路径，与法国初创公司 Alice & Bob 采取类似方向。亚马逊认为，这种连接波色子编码的技术很可能成为实现容错量子计算的理想模型。
“Ocelot 本质上是一种量子存储器的演示。”Painter 在接受媒体采访时表示。亚马逊接下来的目标是增加芯片上的量子比特数量，编码更多信息，并执行实际计算。
研究团队也坦言他们面临诸多挑战，如如何连接大量导线及如何将多个芯片连接成网络等。“扩展并非易事。”Painter 强调。
团队预测，通过优化运行周期和进一步改进猫量子比特电路，即使不提升元器件的相干时间，使用距离为 5 的编码也可望实现接近 0.5% 的逻辑错误率（受 transmon 量子比特错误限制）。长远来看，还需要解决 transmon 量子比特引起的位翻转问题，可能的解决方案是将猫量子比特与适合噪声偏置量子比特的表面码结合起来。
尽管挑战重重，亚马逊的这一突破仍代表着量子计算领域的重大进展。随着三大科技巨头各自全力推进量子计算战略，实用化量子计算机的到来或许会比我们预期的更早。
参考资料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-08642-7
2.https://www.technologyreview.com/2025/02/27/1112560/amazon-quantum-computing-chip-makes-its-debut/
3.https://siliconangle.com/2025/02/27/amazon-debuts-first-quantum-chip-ocelot-novel-architecture/
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