精华｜量子计算硬件组件、接口和挑战

阅读目录：

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1. 量子比特技术

2. 量子寄存器

3. 量子可逆门

4. 量子处理单元

5. 开发人员如何与量子计算机交互

6. 量子硬件面临的挑战

正文：

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量子计算硬件组件

在经典计算机中，比特、寄存器和逻辑门是硬件的组成部分。

而在量子计算机中，它是由量子比特、量子寄存器和可逆门构成。

二者的构成部分名称听起来似乎没有很大的区别，但概念上其实相差甚远。

以下将详细分析量子计算机的构建部分。

 图1 | 量子计算组件（来源：量子客）

1. 量子比特

量子比特是量子存储器的基本单元，与可以为 0 或 1 的经典比特相比，由于叠加的特效，它可以保持 0 和 1 的线性组合叠加状态。

例如，2个经典比特足以表示 0 到 3之间的任一数字（00、01、10、11）。然而，2个量子比特可以同时表示 0 到 3 之间的所有数字。

在技术上，有多种模拟量子比特的方法，但各有优缺点。以下列出主流几种技术类型，具体如下：

1.1 光子

由于光子与周围环境的相互作用较弱，因此它们具有天然的隔离特性，这使它们成为携带信息、表示量子比特和在室温下运行的绝佳候选者。另一个优势是光量子计算机可以集成到现有的基于光纤的电信基础设施中。

图2｜在光子芯片上实现的量子算法（来源：Nature）

然而，光量子计算面临的挑战之一是容错和纠错的局限性。

目前开发光量子计算技术的公司包括 PsiQuantum、Xanadu 、亚马逊以及图灵量子等。

1.2 离子阱

使用离子阱量子比特的量子硬件通常依赖于通过自由空间或波导传输的微波或光学信号，并传递到量子比特的位置。当前离子阱的量子计算系统原型由单个势阱中的 5 到 20 个静态离子链组成。

图3｜离子阱量子计算基本原理（来源：IonQ）

离子阱系统面临的挑战是：

• 随着链长的增加，分离单个离子运动的难度；
• 可以用门激光束单独寻址的离子数量；
• 测量单个量子比特。

目前从事离子阱量子技术的公司包括 Honeywell、IonQ以及启科量子等。

1.3 半导体

可以通过操纵半导体材料（如硒或锗）或缺陷材料（如金刚石、氮化铝或碳化硅）中的单个电子来模拟量子比特。将微波和磁场应用于这些材料将使其表现出叠加、纠缠和其他量子特性。

依靠半导体技术进行量子系统研发的公司包括英特尔、谷歌、 IBM以及本源量子等。

1.4 超导

超导量子比特系统使用微波和低频电信号进行控制，这两种电信号都通过连接到稀释制冷机中的电线进行通信，以到达受控环境中的量子比特。

图4｜ProteoxLX稀释制冷机（来源：牛津仪器）

超导系统面临的挑战是：

• 量子比特连接性的提高；
• 可扩展的校准技术；
• 门保真度的提升。

目前开发超导量子技术的公司有谷歌、IBM、阿里、本源量子以及量旋科技等。

了解更详细的量子计算硬件技术，可参阅《最全量子计算硬件技术》。

2. 量子寄存器

量子寄存器是一组量子比特，它同时保存输入数据的所有可能配置。换句话说，将量子算法应用于n个量子比特的寄存器将使 量子计算机“并行”计算 0/1 状态的所有可能的 2^n 组合。

3. 量子可逆门

可逆门是仅通过查看输出就可以重建其输入的门。例如，在经典计算中，NOT翻转门是可逆的，而异或门是不可逆的，因为无法通过输出来反推出输入。

在门型量子计算中，量子门必须是可逆的，这是量子力学蕴含量子计算的基本规律。量子门的操作也作酉运算（Unitary operations），它们的逆也它们的共轭。

逻辑可逆性允许：

• 逆向量子线路：通过将“逆向”量子门序列以相反的顺序应用于输出；
• 降低计算能耗：由于每个输入都与唯一的输出相关联，所以无法擦除任何量子比特。因此，在计算过程中不会损失能量。

4. 量子处理单元

量子处理单元（Quantum Processing Unit, QPU）是一种依靠量子力学原理来执行计算任务的计算单元。

QPU 包括：

• QRAM（寄存器+门）；
• 将系统驱动到所需状态的量子控制单元 (QCU)；
• 定义主机 CPU 和 QPU 之间交互的经典控制器接口。

5. 开发人员如何与量子计算机交互？

为了对量子计算机进行编程，程序员将通过宿主系统发送算法，通常称为“宿主处理器”。宿主处理器是经典计算机，它与 QCU 具有高带宽连接。宿主主机运行传统操作系统以允许用户与量子处理器交互。

6. 量子硬件面临的挑战

6.1 隔离

最常见的挑战是隔离。热和光等噪音会导致量子退相干，其中量子比特会失去其量子特性（叠加和纠缠）以及它们存储的信息。通常，量子计算机存储在差不多 ~0 开尔文（-273.15 摄氏度）的环境下。

 6.2 信号控制

要改变量子比特的状态，它需要旋转（由逻辑门翻转）。这些旋转容易出错。例如，如果算法需要将多个量子比特旋转 90 度，但错误导致旋转 90.1 度，则以该错误率旋转的量子比特的累积将导致错误输出。

 6.3 量子纠错 QEC 方法

量子纠错（QEC）是保护量子信息不受退相干和其他量子噪声影响的必要手段。在经典计算机中，纠错采用的是冗余，即把用于编码一定数量信息的比特复制和存储多次，并检查它们是否相同。如果发现有变化，那么大部分相同的信息就是真实的版本。

然而，由于不可克隆理论指出不可能创建任意量子态的相同副本，因此无法复制量子信息。

量子纠错面临的另一个挑战是波函数坍缩问题。在经典计算中，可以在不影响编码信息的情况下测量任意属性。

在量子计算中，作为纠错程序的一部分，必须采取特别的方法，以免导致波函数坍缩和擦除编码信息。

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