【導語】量子計算機聽起來神秘莫測，其構建方式與傳統電腦大不相同。量子計算機主要分基於微觀粒子和人造結構兩大類，其中超導量子計算前景廣闊。本文將以超導量子計算機為例，解析其從量子芯片到製冷、控製、糾錯係統的完整架構，揭示其如何融合物理學與工程學，成為最有希望率先實用的方案。

“量子計算機”聽起來很神秘，它到底是個什麽結構呢？也會像咱們常用的 PC 機那樣，CPU、內存、顯卡、硬盤插在主板上裝進機箱裏嗎？答案是否定的。量子計算機的構建方式，跟傳統的“電腦”可謂大相徑庭，今天咱們就來看看量子計算機室怎麽“搭”出來的。  

量子比特本質上是由物理世界的狀態構建而來的。根據所使用的物理狀態的來源不同，量子計算機的構建方法可以劃分為兩大類： 

 第一類量子計算機基於微觀粒子，如離子、光子或原子，通過操縱和測量它們的量子態來計算。同類型的微觀粒子在物理性質上完全一致，這對多粒子量子幹涉和糾纏的實現中具有重要作用。同時，這些粒子在良好隔離條件下能保持較高的量子態純度、較低誤差以及較長的相幹時間（即量子態的保持時間）。然而，對這些粒子的精準操作在當前技術水平下難度仍然很大，且操作所需的時間通常較長。  

第二類是基於人造結構的量子計算機，比如超導電路、量子點等，將人造結構的微觀狀態的宏觀體現作為量子態。這類方法的優勢在於易於製造和操作，且可以借助現代半導體技術進行擴展。

但人造材料的缺陷是一大挑戰。與天然粒子不同，每個人造結構都有細微差異，這種差異可能引入額外的噪聲或錯誤，影響量子態的穩定性。不過，相比微觀粒子，人造結(jié)構(gòu)的(de)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)更(gèng)容(róng)易(yì)被(bèi)測(cè)量(liàng)和(hé)操(cāo)控(kòng)，在(zài)工(gōng)程(chéng)上(shàng)更(gèng)具(jù)可(kě)行(xíng)性(xìng)。

量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)機(jī)的(de)兩(liǎng)大(dà)類(lèi)構(gòu)建(jiàn)方(fāng)法(fǎ)

目(mù)前(qián)，超(chāo)導(dǎo)量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)被(bèi)認(rèn)為(wèi)是(shì)最(zuì)成熟和最有前景的方向之一，因為它在操作速度和集成度方麵表現優異，且技術發展相對迅速，因此糖心免费视频接下來將重點以超導量子計算機為例進行展開介紹。

超導量子比特的構建原理

具體到超導量子計算機，量子比特的狀態來源於其核心構件“約瑟夫森結”的“能級”。約瑟夫森結是由兩個超導體之間夾著一層納米級的絕緣體構成。而能級是物理係統可以擁有的能量值，其特點是離散的、固定的，係統的能量隻能處於這些特定值之一，例如 E₀ 、 E₁ 等，而不能連續變化，這種現象是量子力學的基本特性之一。

最低的能級 E₀  通常被稱為“基態”，更高的能級（如 E₁）被稱為“激發態”。量子比特的兩個基本狀態—— | 0⟩ 和 | 1⟩，分別對應於係統的基態 E₀和第一個激發態 E₁。  

約瑟夫森結構造原理

通過向約瑟夫森結施加特定頻率的微波信號（微波是一種電磁波，可以傳輸能量。比如微波爐通過特定頻率的微波驅動食物中的水分子等極性分子快速旋轉和振動，使其相互作用產生熱量，從而加熱食物），可以向係統注入能量，使量子比特從較低的能級 E₀ 跳躍到較高的能級 E₁，或者通過釋放能量從 E₁ 返回到 E₀。

這種對能級躍遷的精確控製，是量子計算中實現基本邏輯操作的關鍵。更進一步，如果隻施加一個“半脈衝”的微波信號——即沒有完全驅動量子比特從 E₀ 跳到 E₁，那麽量子比特就會處於 E₀ 與 E₁ 的疊加態。

總結來說，糖心免费视频可以通過調節微波的頻率、強度和持續時間，精確控製量子比特的狀態。

超導量子比特的能級躍遷與控製

由於超導量子比特的能級之間的能量差極其微小，因此量子態對外界環境的擾動極為敏感。哪怕是極輕微的熱噪聲、電磁波或輻射幹擾，都可能導致量子態的退(tuì)相幹（即量子態被破壞），從而使量子比特無法正常工作。

為了降低這些幹擾，超(chāo)導(dǎo)量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)機(jī)必須運行在接近絕對零度的極低溫環境下（約 10 毫開爾文，比絕對零度-273.15 攝氏度隻高出 0.01 度，已經是人類能實現的最低持續溫度），並在連接線路中使用特殊材料和精心設計的屏蔽、濾波與衰減措施，以盡可能保持能級穩定和操控精度。

從單比特到超導量子計算的“體係結構”

要構建一台可實際運行的超導量子計算機，不僅需要量子比特本身，還必須有完整的支撐係統：製冷和屏蔽係統用於保護量子態，控製係統用於操控量子比特，糾錯係統用於實時糾正量子係統中的錯誤。在這些係統(tǒng)中(zhōng)，糾(jiū)錯(cuò)係(xì)統尤為關鍵。這是因為量子計算的可靠性麵臨兩個根本性挑戰：

· 相幹時間不足：即量子比特能夠保持疊加態和糾纏等量子特性不被環境破壞(huài)的(de)時(shí)長(zhǎng)，因(yīn)此(cǐ)要用量子比特執行計算，量子比特的相幹時間必須長於計算所需的時間。製冷、屏蔽等措施雖然能延長相幹時間，但對於複雜運算仍難以滿足需求。

· 門保真度不足：量子門不是像經典比特那種固定的門電路，而是通過外部控製信號實時操控來實現，量子門操作的實際效果與理想效果的接近程度即為門保真度。然而，即使單個門操作的保真度很高（如99.9%），在執行成千上萬次操作後，誤差仍會不斷累積，最終破壞計算結果。

接下來，糖心免费视频會詳細介紹超導量子計算機的每一個核心組成部分。

量子芯片

采用傳統半導體工藝在矽片上製作出約瑟夫森結，形成量子比特，並通過封裝引出用於控製和測量的接口。下麵就是一個擁有 20 個超導量子比特的量子芯片（又稱量子處理器）示意圖，可以看到每個量子比特都需要引出多根線纜（比如控製線、讀出線），同時量子比特與比特之間還需要有耦合器（類似於開關）互聯。

製冷係統

利用稀釋製冷機（一種利用氦3/氦4 混合物實現超低溫的降溫設備，目前是人類能夠持續運行並達到最低溫度的製冷裝置，可將溫度降至約 10 毫開爾文甚至更低）將量子芯片及其連接線降溫至接近絕對零度，同時配置衰減器、濾波器來“淨化”控製信號，配置屏蔽裝置屏蔽外部噪聲，以盡量消除外部噪聲幹擾。

IBM Q 量子計算機的製冷係統結構

圖中展示的是 IBM Q 量子計算機的製冷係統結構。整個結構會被放置到稀釋製冷機中，可以看到，其中包含用於控製和讀取量子比特的微波導線；輸入信號經過多級衰減器以降低噪聲，輸出信號則通過低噪聲放大器放大；同時配備多層屏蔽裝置以(yǐ)隔絕外部輻射，並使用經過精心選擇材質的同軸電纜以保證在低溫下的可靠傳輸並最小化熱負載。從係統頂部到底部，溫度逐級降低：最上層為室溫區，最底層則可達到約 10 毫開爾文的極低溫環境，為量子比特的穩定運行提供條件。

量子比特控製係統

將經典計算機發出量子操作的指令轉化為高精度微波脈衝，用於驅動、操控與讀出量子比特，通常包含微波發生器、混頻器、放大器和隔離器等器件。

在上麵的示意圖中，量子比特控製係統接收來自經典計算機的數字控製信號，通過一係列精密的微波器件，將其轉換為能夠精確操控量子比特的微波脈衝。係統的核心在於保持極高的信號純度和時序精度，確保量子態的精確操控。將經典數字信號轉化為高精度微波脈衝，用於驅動、操控與讀出量子比特。

量子糾錯係統

通過冗餘編碼和實時反饋，檢測並修正量子計算過程中因退相幹和噪聲產生的錯誤，從而延長相幹時間和提升門保真度。例如，目前最為常用的表麵碼糾錯方案通過把一個邏輯量子比特編碼到一個二維量子比特陣列中，通過不斷測量鄰近比特之間的關聯來發現並修正錯誤，從而在硬件誤差率低於閾值的情況下延(yán)長邏輯比特的壽命。

如下圖所示，量子糾錯係統是一個經典-量子混合係統，整個糾錯環路必須實時完成糾錯，糾錯時間要遠小於退相幹時間。FPGA 的低延遲處理和 CPU/GPU 的強大算力相結合，配合精確的時序同步，確保在量子信息丟失前完成錯誤修正。

從下圖中，糖心免费视频可以大致了解量子計算機的整體架構。

IBM Q 量(liàng)子計算機架構圖，糖心免费视频可以在圖中找到糖心免费视频所述的組成部分

量子計算機的構建既是一門物理學，也是一門工程學。粒子型方案在物理層麵更純淨，但工程實現困難；人造結構型方案（尤其是超導量子比特）在工程上更具可擴展性，但需克服噪聲與退相幹問題。一台完整的超導量子計算機，實質上(shàng)是(shì)量(liàng)子(zi)芯片 + 稀釋製冷機 + 控製電子學 + 量子糾錯係統的複雜組合。它既是物理實驗裝置，也是高度工程化的係統。正是因為具備這(zhè)種“從物理到係統”的完整鏈路，超導量子計算機才成為當前最有希望率先跨越實用門檻的方案。

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作者丨李冠成  騰訊玄武實驗室

審核丨欒春陽 國防科技大學理學院