官方网站-首页

【导语】“量子计算机”听起来神秘莫测，其构建方式与传统电脑大不相同。它主要分为基于微观粒子和人造结构两大类，其中超导量子计算前景广阔。本文将以超导量子计算机为例，揭秘其从量子芯片、制冷系统到控制、纠错系统的完整架构，带您一探这台“物理+工程”复杂组合的究竟。

“量子计算机”听起来很神秘，它到底是个什么结构呢？也会像咱们常用的 PC 机那样，CPU、内存、显卡、硬盘插在主板上装进机箱里吗？答案是否定的。量子计算机的构建方式，跟传统的“电脑”可谓大相径庭，今天咱们就来看看量子计算机室怎么“搭”出来的。  

量子比特本质上是由物理世界的状态构建而来的。根据所使用的物理状态的来源不同，量子计算机的构建方法可以划分为两大类：  

第一类量子计算机基于微观粒子，如离子、光子或原子，通过操纵和测量它们的量子态来计算。同类型的微观粒子在物理性质上完全一致，这对多粒子量子干涉和纠缠的实现中具有重要作用。同时，这些粒子在良好隔离条件下能保持较高的量子态纯度、较低误差以及较长的相干时间（即量子态的保持时间）。然而，对这些粒子的精准操作在当前技术水平下难度仍然很大，且操作所需的时间通常较长。  

第二类是基于人造结构的量子计算机，比如超导电路、量子点等，将人造结构的微观状态的宏观体现作为量子态。这类方法的优势在于易于制造和操作，且可以借助现代半导体技术进行扩展。

但人造材料的缺陷是一大挑战。与天然粒子不同，每个人造结构都有细微差异，这种差异可能引入额外的噪声或错误，影响量子态的稳定性。不过，相比微观粒子，人造结构的量子比特更容易被测量和操控，在工程上更具可行性。

量子计算机的两大类构建方法

目前，超导量子计算被认为是最成熟和最有前景的方向之一，因为它在操作速度和集成度方面表现优异，且技术发展相对迅速，因此我们接下来将重点以超导量子计算机为例进行展开介绍。

超导量子比特的构建原理

具体到超导量子计算机，量子比特的状态来源于其核心构件“约瑟夫森结”的“能级”。约瑟夫森结是由两个超导体之间夹着一层纳米级的绝缘体构成。而能级是物理系统可以拥有的能量值，其特点是离散的、固定的，系统的能量只能处于这些(xiē)特(tè)定(dìng)值(zhí)之(zhī)一(yī)，例(lì)如(rú) E₀ 、 E₁ 等(děng)，而(ér)不(bù)能(néng)连(lián)续(xù)变(biàn)化(huà)，这(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象(xiàng)是(shì)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)基(jī)本(běn)特(tè)性(xìng)之(zhī)一(yī)。

最(zuì)低(dī)的(de)能(néng)级(jí) E₀  通(tōng)常(cháng)被(bèi)称(chēng)为(wèi)“基(jī)态”，更高的能级（如 E₁）被称(chēng)为(wèi)“激(jī)发(fā)态(tài)”。量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)两(liǎng)个(gè)基(jī)本(běn)状(zhuàng)态(tài)—— | 0⟩ 和(hé) | 1⟩，分(fēn)别(bié)对(duì)应(yīng)于(yú)系(xì)统(tǒng)的(de)基(jī)态(tài) E₀和(hé)第(dì)一(yī)个(gè)激(jī)发(fā)态(tài) E₁。  

约(yuē)瑟(sè)夫(fu)森(sēn)结(jié)构(gòu)造(zào)原(yuán)理(lǐ)

通(tōng)过(guò)向(xiàng)约(yuē)瑟(sè)夫(fu)森结施加特定频率的微波信号（微波是一种电磁波，可以传输能量。比如微波炉通过特定频率的微波驱动食物中的水分子等极性分子快速旋转和振动，使其相互作用产生热量，从而加热食物），可以向系统注入能量，使量子比特从较低的能级 E₀ 跳跃到较高的能级 E₁，或者通过释放能量从 E₁ 返回到 E₀。

这种对能(néng)级(jí)跃(yuè)迁的精确控制，是量子计算中实现基本逻辑操作的关键。更进一步，如果只施加一个“半脉冲”的微波信号——即没有完全驱动量子比特从 E₀ 跳到 E₁，那么量子比特就会处于 E₀ 与 E₁ 的叠加态。

总结来说，我们可以通过调节微波的频率、强度和持续时间，精(jīng)确(què)控(kòng)制(zhì)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)状(zhuàng)态(tài)。

超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子比特的能级跃迁与控制

由于超导量子比特的能级之间的能量差极其微小，因此量子态对外界环境的扰动极为敏感。哪怕是极轻微的热噪声、电磁波或辐射干扰，都可能导致量子态的退相干（即量子态被破坏），从而使量子比特无法正常工作。

为了降低这些干扰，超导量子计算机必须运行在接近绝对零度的极低温环境下（约 10 毫开尔文，比绝对零度-273.15 摄氏度只高出 0.01 度，已经是人类能实现的最低持续温度），并在连接线路中使用特殊材料和精心设计的屏蔽、滤波与衰减措施，以尽可能保持能级稳定和操控精度。

从单比特到超导量子计算的“体系结构”

要构建一台可实际运行的超导量子计算机，不仅需要量子比特本身，还必须有完整的支撑系统：制冷和屏蔽系统用于保护量子态，控制系统用于操控量子比特，纠错系统用于实时纠正量子系统中的错误。在这些系统中，纠错系统尤为关键。这是因为量子计算的可靠性面临两个根本性挑战：

• 相干时间不足：即量子比特能够保持叠加态和纠缠等量子特性不被环境破坏的时长，因此要用量子比特执行计算，量子比特的相干时间必须长于计算所需的时间。制冷、屏蔽等措施虽然能延长相干时间，但对于复杂运算仍难以满足需求。

  
  

• 门保真度不足：量子门不是像经典比特那种固定的门(mén)电(diàn)路，而(ér)是(shì)通(tōng)过(guò)外部控制信号实时操控来实现，量子门操作的实际效果与理想效果的接近程度即为门保真度。然而，即使单个门操作的保真度很高（如99.9%），在执行成千上万次操作后，误差仍会不断累积，最终破坏计算结果。

接下来，我们会详细介绍超导量子计算机的每一个核心组成部分。

量子芯片

采用传统半导体工艺在硅片上制作出约瑟夫森结，形成量子比特，并通过封装引出用于控制和测量的接口。下面就是一个拥有 20 个超导量子比特的量子芯片（又称量子处理器）示意图，可以看到每个量子比特都需要引出多根线缆（比如控制线、读出线），同时量子比特与比特之间还需要有耦合器（类似于开关）互联。

制冷系统

利用稀释制冷机（一种利用氦‑3/氦‑4 混合物实现超低温的降温设备，目前是人类能够持续运行并达到最低温度的制冷装置，可将温度降至约 10 毫开尔文甚至更低）将量子芯片及其连接线降温至接近绝对零度，同时配置衰减器、滤波器来“净化”控制信号，配置屏蔽装置屏蔽外部噪声，以尽量消除外部噪声干扰。

IBM Q 量子计算机的制冷系统结构

图中展示的是 IBM Q 量子计算机的制冷系统结构。整个结构会被放置到稀释制冷机中，可以看到，其中包含用于控制和读取量子比特的微波导线；输入信号经过多级衰减器以降低噪声，输出信号则通过低噪声放大器放大；同时配备多层屏蔽装置以隔绝外部辐射，并使用经过精心选择材质的同轴电缆以保证在低温下的可靠传输并最小化热负载。从系统顶部到底部，温度逐级降低：最上层为室温区，最底层则可达到约 10 毫开尔文的极低温环境，为量子比特的稳定运行提供条件。

量子比特控制系统

将经典计算机发出量子操作的指令转化为高精度微波脉冲，用于驱动、操控与读出量子比特，通常包含微波发生器、混频器、放大器和隔离器等器件。

在上面的示意图中，量子比特控制系统接收来自经典计算机的数字控制信号，通过一系列精密的微波器件，将其转换为能够精确操控量子比特的微波脉冲。系统的核心在于保持极高的信号纯度和时序精度，确保量子态的精确操控。将经典数字信号转化为高精度微波脉冲，用于驱动、操控与读出量子比特。

量子纠错系统

通过冗余编码和实时反馈，检测并修正量子计算过程中因退相干和噪声产生的错误，从而延长相干时间和提升门保真度。例如，目前最为常用的表面码纠错方案通过把一个逻辑量子比特编码到一个二维量子比特阵列中，通过不断测量邻近比特之间的关联来发现并修正错误，从而在硬件误差率低于阈值的情况下延长逻辑比特的寿命。

如下图所示，量子纠错系统是一个经典-量子混合系统，整个纠错环路必须实时完成纠错，纠错时间要远小于退相干时间。FPGA 的低延迟处理和 CPU/GPU 的强大算力相结合，配合精确的时序同步，确保在量子信息丢失前完成错误修正。

从下图中，我们可以大致了解量子计算机的整体架构。

IBM Q 量子计算机架构图，我们可以在图中找到我们所述的组成部分

量子计算机的构建既是一门物理学，也是一门工程学。粒子型方案在物理层面更纯净，但工程实现困难；人造结构型方案（尤其是超导量子比特）在工程上更具可扩展性，但需克服噪声与退相干问题。一台完整的超导量子计算机，实质上是量子芯片 + 稀释制冷机 + 控制电子学 + 量子纠错系统的复杂组合。它既是物理实验装置，也是高度工程化的系统。正是因为具备这种“从物理到系统”的完整链路，超导量子计算机才成为当前最有希望率先跨越实用门槛的方案。

策划制作

本文为·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨李冠成  腾讯玄武实验室

审核丨栾春阳 国防科技大学理学院

策划丨张林林

责编丨丁崝

审校丨徐来、张林林

来源｜微信公众号

本文封面图片及文内图片来自版权图库

转载使用可能引发版权纠纷