最全量子计算硬件概述（建议收藏）_量子点在硬件中的应用

阅读目录：

一、量子计算简介

二、可行量子计算机的5大准则

2.1 表征量子比特

2.2 能很好的将量子态初始化至初态

2.3 拥有一套通用的量子门操作

2.4 具有特定量子比特的测量能力

2.5 退相干时间与门操作时间比值

三、量子计算机的硬件结构

3.1 量子数据平面

3.2 控制和测量平面

3.3 控制处理器平面

3.4 主处理器

四、量子比特技术

4.1 离子阱量子比特

4.1.1 基本原理和现状

4.1.2 现状

4.1.3 机遇和挑战

4.2 超导量子比特

4.2.1 基本原理和现状

4.2.2 现状

4.2.3 机遇和挑战

4.3 其他量子比特技术

4.3.1 光量子

4.3.2 中性原子

4.3.3 半导体

五、总结和未来展望

一、量子计算简介

量子计算是指利用量子的特性，也就是自然界在原子尺度上的特性，来解决复杂的问题，计算速度远超经典计算机。量子计算机并不是简单的经典计算机的更快版本，它们是一种根本不同的计算模式，因为量子计算机利用量子力学的基本规律进行计算。

量子的奇异特性，即量子计算比特（称为 “量子比特“）在同一时间可以处于多种状态并可以相互连接，为高度并行的信息处理打开了大门，带来了前所未有的新机遇。

量子计算有可能被应用于解决密码学、化学、医学、材料科学和机器学习等领域的重要问题，而这些问题对于传统计算机来说是相对困难的。虽然目前还不清楚哪些具体的任务可以从并行的量子处理（即量子并行）中获益，但预计使用量子计算机可以极大地加速一些问题的解决，特别是与优化有关的问题。

量子计算具有巨大潜力，本文的重点是量子计算硬件。量子计算硬件是一个非常活跃的研究领域。全球有100多个学术团体和政府下属实验室正在研究如何设计、构建和控制量子系统，众多科技巨头和初创公司现在正致力于将由超导和离子阱以及其他技术构建的量子计算机商业化。

尽管大众媒体的报道往往集中在量子比特的发展和目前原型量子计算芯片中的量子比特数量上，但任何量子计算机都需要采用集成硬件的方法，使用硬件来实现对量子比特的控制、编程和读取。我们将这些硬件按其功能进行划分，创建每个量子计算机所包含的四个硬件层，并描述了经典计算资源和量子计算资源之间的关系。

虽然小规模量子计算机的开发已经取得了很大的进展，但能够扩展到破解当前密码学所需规模的量子计算机的设计还没有被证明，也不能通过直接扩展当前任何一种技术来实现。

现在尚不清楚量子计算长期发展中会使用哪一类或者哪几类技术。为了让大家了解不同技术的优势和挑战，本文详细介绍目前2种最主流的量子硬件技术，离子阱和超导量子计算，以及它们的扩展问题，同时也简要介绍其他目前蓬勃发展的量子技术。

图1｜IBM超导量子计算机（来源：IBM）

二、可行量子计算机的5大准则

制造量子计算机，或者声称实现了量子计算机原型机是一个非常严肃而且伟大的问题。虽然拥有几个或几十个比特的量子计算机，在物理系统上可以被实现，但是想要制造出可以有效工作的量子计算机对当前的科学研究来说仍然是一个不小的挑战。

图2｜DiVincenzo criteria

2000年IBM的研究员DiVincenzo提出了5条准则（即DiVincenzo criteria）和两个附加量子通信标准，只有满足准则的物理体系，才有望构建出可行的量子计算机[1]。无论采用哪种技术路线，无论是离子阱还是超导，都必须满足这5条准则。以下是5条准则的概述：

2.1 表征量子比特

图3｜表征量子比特

在可扩展的物理体系中，要能很好的表征（定义）量子比特。需要一个由多比特组成的，用来存储信息的量子寄存器。在量子体系中，一种能够物理上实现量子比特的最简单的方式，莫过于利用二能级物理体系。例如：电子自旋、自旋为1/2的原子核等。同时使用几种类型的量子比特可能是实现可行的量子计算机的最有前景的方式。

2.2 能很好的将量子态初始化至初态

图4｜将量子态初始化至初态

当经典计算机无法重置时，即使其处理过程非常正确，所得的计算结果也不会令人信服。因此初始化对于经典计算机和量子计算机来说都是一个重要的部分。

2.3 拥有一套通用的量子门操作

图5｜通用量子门

对于一台内存比较大的经典计算机，需要通过一系列的逻辑门操作，把数据编码到内存上去。对于量子计算来说需要在内存上应用任意的逻辑操作门，去完成有用的量子信息处理过程。

2.4 具有特定量子比特的测量能力

图6｜测量特定量子比特

经典计算的结果必须显示在屏幕上或打印在一张纸上以读出结果，虽然读出过程被认为是经典计算的一部分，但它也是量子计算中的重要组成部分。

对于量子计算，需要测量运算量子算法之后的状态以提取计算结果，测量过程在很大程度上取决于所考虑的物理系统。由于退相干（量子比特非常脆弱，它对外界的微扰极其敏感，量子比特的计算状态如果由于外界影响发生变化称为退相干），量子门操作误差等原因，测量通常没有100％的准确性。如果是这种情况，必须重复多次相同计算，以达到合理且比较高的置信度。

2.5 退相干时间与门操作时间比值

图7｜退相干时间长

建造一个可实用的量子计算机，退相干的问题可能是一个最大的障碍。由于系统会和环境有相互作用，退相干也就意味着量子态的诸多方面都会退化，同时也会限制量子计算的最大有效时长。

但相干时间的绝对时长并不是最重要的，最核心的是相干时长与门操作时长的比值，我们在第三章的结尾的汇总表有具体说明。

此外，另2个附加标准是关于量子通信方面，这里我们不予讨论。

三、量子计算机的硬件结构

目前市场中，量子计算机几乎都采用门操作来控制量子比特，本章我们讨论门型量子计算的结构。为了帮助理解基于门型量子计算机的硬件组件，我们可以用四个抽象层来建模：

量子数据平面，即量子比特所在的地方；
控制和测量平面，负责根据需要对量子比特进行操作和测量；
控制处理器平面，它决定算法所需的操作和测量顺序，为后续的量子操作提供信息；
主处理器，这是一台经典计算机，负责处理对网络、大型存储阵列和用户界面的访问。该主处理器运行传统的操作系统/用户界面，方便用户交互，并与控制处理器有高带宽连接。

图8｜门型量子计算机的硬件组件

3.1 量子数据平面

任何量子计算机最重要的部分是它其中的量子比特。量子数据平面是量子计算机的 “心脏”。它包括物理的真实量子和将其固定所需的结构。它还必须包含一些必要的线路支持来测量，并对基于门型系统的物理量子进行门操作。通过量子计算机的门操作将控制信号传输到特定的量子比特，设置它的状态。

在某些方面，量子数据平面看起来类似于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）。FPGA是经典的计算设备，包含大量