薛定谔的猫重出江湖？法国初创公司AliceBob研发猫态量子比特

总部位于巴黎的初创公司Alice&Bob使用超导芯片的两个相反的量子态（他们称之为“猫态量子比特”芯片）来帮助开发量子计算的不同自旋方式。（图片来源：网络）

有的人认为，构建量子计算机的模块模仿了著名的思想实验——“薛定谔的猫”，量子物理学本质上是将猫关在盒子里，让它处于生与死之间的模糊状态，当有人打开盒子时，才会确定猫是死还是活。现在，一家法国初创公司表示，通过尽可能地“模仿”薛定谔的猫，可以加快建造强大的量子计算机，同时，亚马逊也在走这一战略路线。

经典计算机是通过打开或关闭晶体管，将数据符号转化为1或0，而量子计算机使用的是量子比特（qubits）。根据量子力学原理，量子比特可以同时以1和0的叠加状态存在。这本质上是允许每个量子比特同时执行2个计算，随着量子比特的数目增长，它们可以同时执行的计算就越多，甚至达到指数级。

新策略依赖于所谓的“猫态”，这是一对完全不同的量子态，彼此截然相反，就像著名的“薛定谔的猫”一样。

量子计算应用中，首先引起广泛关注的是密码破解。现代密码学大部分都依赖于经典计算机，在解决诸如因式分解等数学问题时，面临很大困难。然而，使用Shor的整数分解算法，量子计算机甚至可以快速破解高度安全的RSA-2048加密。

然而，当前量子计算机的一个关键缺点是其内部运作容易出错。科学家可以通过冗余量子比特来解决这些高错误率。然而，这些量子纠错策略通常需要较高的硬件开销。例如，对于每个有用的“逻辑”量子比特，他们可能需要1,000多个冗余“物理”量子比特。

另一种策略侧重于质量而不是数量，致力于设计稳定的抗错误量子比特。最近，总部位于巴黎的法国初创公司Alice & Bob透露，其策略可以将Shor算法所需的量子比特数量削减60倍。

理论上，科学家可以使用量子系统的几乎任何一对状态来编码量子比特，例如，使用分子中潜在的两个不同能级。相比之下，Alice&Bob的策略取决于“猫态”，它由成对的状态组成，这些状态彼此截然相反，就像原始薛定谔的猫所经历的生死状态一样。

研究人员发现，当量子比特的状态在0和1之间翻转时，对于比特翻转的常见错误源，猫态量子比特就具有很强的抵抗力。Alice&Bob指出，这种情况下，通常只有一个常见的错误源需要纠正，而不是两个，这大大简化了量子计算机的设计。

破解RSA-2048加密预计需要大约2,200万个量子比特。然而，如果使用猫态量子比特，研究人员计算出他们可以将这个数字降至350,000。

Alice&Bob正在研究的量子比特是超导设备，像谷歌、IBM等在其量子计算机中使用的量子比特一样。具体来说，这依赖于可以在两种振荡状态之间波动的超导微波谐振器。

该公司与法国替代能源和原子能委员会合作，估算了在破译依赖于600位十进制位数的庞大数字（RSA-2048 涉及的内容）时，可能需要哪些硬件才能超越传统计算机。传统超级计算机无论运行多长时间都无法解决这个问题，但量子计算机可能会在不到一天的时间内解决。

之前的研究表明，使用当今错误丛生的量子计算机，Shor算法需要大约2200万个量子比特才能破解 RSA-2048。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。

Alice&Bob首席执行官兼联合创始人Théau Peronnin表示：“不仅在硬件方面，在算法和架构方面，也仍然存在改进的空间。还有很大的机会进一步减少运行这些代码所需的开销。”

该初创公司的目标是在今年年底前拥有一个14量子比特系统，Peronnin表示，在接下来的几年里，该公司希望开发出一种能够实现一个逻辑量子比特的40量子比特设备，这是一种能够实现错误指数级减少的系统。

该公司的猫态量子比特目前在10秒内就降解。该公司的目标是将其改进到8小时，乃至1个月。

Peronnin说：“目前还没有合适的无可争议的逻辑量子比特。谷歌的最新实验正处于这一里程碑的门槛上，他们可以根据需要添加任意数量的量子比特，虽然没有什么改进，但也不会退化。为了让我们的团队开发出寿命更长的逻辑量子比特，我们需要40个猫态量子比特。”

目前，Alice & Bob 正在进一步改进其猫态量子比特。例如，该公司的设备显示比特翻转时间约为10秒，比以前的猫态量子比特快了约4个数量级。但该公司希望将其改进到至少8小时，甚至是1个月。应对这一挑战的一种方法是保护量子计算机免受来自外太空的宇宙射线的影响，这些射线可能导致基于超导量子比特的量子计算机大约每10秒遭受一次灾难性的错变。

Alice & Bob还希望降低其猫量子比特相位翻转错误率。Peronnin说：“我们有很多方法可以通过提高制造质量来改善，但这还不是最先进的。”

Alice &Bob面临的一个主要挑战是，亚马逊可能会利用Alice & Bob团队的研究来帮助指导自己开发猫态量子比特。

Peronnin说：“作为一家年轻的初创公司，当我们得知亚马逊正在研究猫态量子比特时，我们的第一反应是大汗淋漓。但后来我们意识到这也是一件好事，我们不是在竞争谁会获胜，这是猫态量子比特与其他可能的技术之间的角逐，所以对我们来说，这是很好的外部验证。总而言之，亚马逊是一个强大的竞争对手，我们正在共同推动这项技术的前沿发展。有这样的竞争真是太好了，就像大卫对抗歌利亚，这确实让我们的团队充满了斗志。”

编译：卉可

编辑：慕一

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