这是一个实用量子计算机的蓝图


经典的魔方有43252003274489856000个不同的州。你可能很想知道，人们是如何把一个打乱的立方体恢复到原来的形状的，每一面只显示一种颜色。有些人甚至可以蒙着眼睛看一遍这个乱码的立方体。这样的壮举是可能的，因为有一组基本的规则，总是允许某人在20次或更少的移动中将立方体恢复到原始状态。

控制量子计算机很像蒙着眼睛玩魔方:初始状态是众所周知的，有一组有限的基本元素(量子位)可以通过一组简单的规则来操纵——代表量子状态的矢量的旋转。但是在这些操作期间观察系统会带来严重的惩罚:如果过早观察，计算就会失败。这是因为您只能查看机器的最终状态。

量子计算机的强大之处在于，系统可以被置于非常多的状态的组合中。有时这个事实被用来证明这是不可能的构建或控制量子计算机:论点的要点是，描述量子计算机状态所需的参数数量太高了。是的，控制量子计算机并确保其状态不受各种误差源的影响将是一项相当大的工程挑战。然而，困难并不在于其复杂的量子态，而在于确保基本的控制信号集做它们应该做的事情，并且量子位的行为符合你的预期。

如果工程师们能找到方法，量子计算机有一天可以解决问题这是传统计算机无法达到的。量子计算机或许能够破解那些被认为是牢不可破的密码。它们还可以有助于发现新药、改进机器学习系统、解决极其复杂的物流问题等等。

人们对量子计算机的期望确实很高，科技公司和政府都在押注数十亿美元的量子计算机。但这仍然是一场赌博，因为同样的量子力学效应保证了如此强大的能量，也导致这些机器非常敏感，难以控制。

必须总是这样吗?经典超级计算机和量子计算机之间的主要区别在于，量子计算机利用某些量子力学效应以一种违背直觉的方式操纵数据。在这里，我将简要介绍其中的一些影响。但是，这种描述应该足以帮助您理解工程障碍以及一些克服它们的可能策略。

而普通的经典计算机操作比特(二进制数字)，每个比特必须是0或1，量子计算机操作量子比特，或者量子比特．与经典比特不同，量子位可以利用量子力学效应叠加，允许量子比特处于一种状态，其中它有一定数量的0和一定数量的1。描述一个量子位有多少个1和多少个0的系数是复数，这意味着它们有实部和虚部。

在一个有多个量子位的机器中，你可以用一种非常特殊的方式来创建这些量子位，这样一个量子位的状态就不能独立于其他量子位的状态来描述。这种现象被称为纠缠．多个纠缠量子比特的可能状态比单个量子比特的更复杂。

两个经典量子比特只能被设置为00、01、10或11，而两个纠缠量子比特可以被设置为这四种基本态的叠加态。也就是说，纠缠的量子比特对可以有一定量的00-ness，一定量的01-ness，一定量的10-ness和一定量的11-ness。三个纠缠的量子比特可以是八种基本态的叠加态。和n量子比特可以是2的叠加态ⁿ州。当你对这些进行操作时n纠缠量子比特，就好像你在2上操作ⁿ同时获取一些信息。

你对量子比特所做的操作类似于对魔方所做的旋转。一个很大的不同是量子旋转从来都不是完美的。由于控制信号的质量和量子位的灵敏度的某些限制，打算将一个量子位旋转90度的操作可能最终会旋转90.1度或89.9度。这样的错误可能看起来很小，但它们很快就会累积起来，导致完全不正确的输出。

另一个错误来源是脱散:如果量子比特被单独留下，它会逐渐失去所包含的信息，也会失去纠缠。这是因为量子比特在某种程度上与环境相互作用，尽管用于存储它们的物理基板经过了设计，使它们保持隔离。你可以补偿控制不准确和退相干的影响使用所谓的量子误差校正，但这样做在所需的物理量子位的数量和需要用它们完成的处理量方面代价巨大。

一旦这些技术挑战被克服，量子计算机将对某些特殊类型的计算很有价值。在执行量子算法后，机器将测量其最终状态。从理论上讲，这种测量将以高概率给出经典计算机无法在合理时间内解决的数学问题的解决方案。

那么如何开始设计呢量子计算机?在工程中，将机器的主要功能分解为包含性质相似或所需性能相似的子功能的组是一种良好的实践。这些功能组可以更容易地映射到硬件上。我的同事和我在QuTech荷兰的科学家们发现，量子计算机所需的功能可以自然地分为五个这样的组，在概念上由五个控制层表示。IBM、谷歌、英特尔和其他公司的研究人员也在遵循类似的策略，尽管构建量子计算机的其他方法也是可能的。

让我来描述一下这个五层蛋糕，从顶层开始，从硬件内部发生的基本细节开始的最高抽象层次。

在这一堆的顶部是应用程序层这不是量子计算机本身的一部分，但却是整个系统的关键部分。它代表了组成相关算法所需的所有东西:编程环境、量子计算机的操作系统、用户界面等等。使用这一层组成的算法可以是完全量子的，但它们也可能涉及经典部分和量子部分的组合。应用层不应该依赖于它下面的层所使用的硬件类型。

实用量子计算机的组件可以分为五个部分，每个部分执行不同的处理。插图:Chad Hagen

应用程序层的正下方是处理层，它有三个基本功能。首先，它优化正在运行的量子算法并将其编译成微指令。这类似于经典计算机的中央处理器发生了什么它为必须执行的每条机器代码指令处理许多微指令。这一层还处理下面几层硬件返回的量子态测量数据，这些数据可能被反馈到经典算法中以产生最终结果。经典处理层还将负责下面各层所需的校准和调优。

在经典层下面是数字- - - - - -，模拟,,quantum-processing这些层一起组成了一个量子处理单元(QPU)。QPU的三层之间有紧密的联系，其中一层的设计很大程度上取决于其他两层的设计。现在让我更全面地描述组成QPU的三个层，从上往下。

的数字处理层将微指令转换为脉冲，这是操作量子比特所需的信号，使它们充当量子逻辑门。更准确地说，这一层提供了模拟脉冲应该是什么的数字定义。模拟脉冲本身是在QPU的模拟处理层生成的。数字层还将量子计算的测量结果反馈给上面的经典处理层，这样量子解决方案就可以与经典计算的结果相结合。

现在，个人电脑或者现场可编程门阵列能够处理这些任务。但是当纠错被添加到量子计算机中时，数字处理层将变得更加复杂。

的模拟处理层创建发送给下面一层的量子位的各种信号。这些主要是电压阶跃和微波脉冲的扫描和爆发，它们经过相位和振幅调制，以执行所需的量子位操作。这些操作涉及连接在一起形成量子逻辑门的量子位，这些量子逻辑门根据正在运行的特定量子算法协同执行整体计算。

虽然产生这样的信号在技术上并不困难，但当涉及到管理实际量子计算机所需的许多信号时，这里存在重大障碍。首先，发送到不同量子位的信号需要在皮秒的时间尺度上同步。你需要某种方法将这些不同的信号传递给不同的量子位，这样才能使它们做不同的事情。这是一个很大的绊脚石。

分而治之:在实际的量子计算机中，会有太多的量子位，无法将单独的信号线连接到每个量子位上。相反，将使用空间和频率多路复用的组合。量子位将被组装成一组，连接到一条公共信号线上，组中的每个量子位都被调谐为只响应一个频率的信号(这里显示为一种颜色)。然后，计算机可以通过产生特定频率的脉冲并使用模拟交换网络将这些脉冲仅发送到特定的量子比特组来操作其量子比特的子集。插图:Chad Hagen

在今天的小规模系统中，只有几十个量子位，每个量子位都被调到不同的频率——把它想象成一个锁定在一个频道的无线电接收器。您可以通过在共享信号线上以特定频率传输来选择要寻址的量子比特。这是可行的，但这种策略无法扩展。你看，发送到量子比特的信号必须有一个合理的带宽，比如10兆赫。如果计算机包含一百万个量子比特，那么这样的信号系统将需要10个带宽太赫兹，这当然是不可行的。也不可能建立一百万个单独的信号线，这样你就可以直接将一条连接到每个量子比特上。

解决方案可能涉及频率和空间多路复用的结合。量子比特将被分组制造，组中的每个量子比特都被调到不同的频率。计算机将包含许多这样的组，所有组都连接到模拟通信网络，该网络允许模拟层产生的信号只连接到选定的组的子集。通过正确安排信号的频率和网络连接，你就可以在不影响其他量子比特的情况下操纵目标量子比特或一组量子比特。

这种方法应该可以达到目的，但这种多路复用是有代价的:控制不准确。如何克服这种不准确性仍有待确定。

在目前的系统中，数字和模拟处理层主要在室温下工作。只有quantum-processing层在它们下面，保存量子比特的层保持在接近绝对零度的温度。但随着未来系统中量子比特数量的增加，构成这三层的电子器件无疑必须集成到一个封装好的低温芯片中。

一些公司目前正在建设你可以称之为原型前系统，主要基于超导量子比特．这些机器最多包含几十个量子比特，能够执行数十到数百个相干量子操作。采用这种方法的公司包括科技巨头谷歌，IBM,英特尔．

通过扩展控制线的数量，工程师可以将当前的架构扩展到几百个量子比特，但这是最多的。这些量子比特保持一致性的短时间(今天大约是50微秒)将限制在计算被错误消耗之前可以执行的量子指令的数量。

考虑到这些限制，我预计具有几百个量子比特的系统的主要应用将是作为传统超级计算机的加速器。量子计算机运行速度更快的特定任务将从超级计算机发送到量子计算机，然后将结果返回超级计算机进行进一步处理。量子计算机在某种意义上就像GPU在你的笔记本电脑上，执行某些特定的任务，比如矩阵逆或初始条件优化，比CPU单独运行要快得多。

在量子计算机开发的下一个阶段，应用层的构建将相当简单。数字处理层也将相对简单。但是构建组成QPU的三个层将是棘手的。

目前的制造技术还不能产生完全均匀的量子位。所以不同的量子位有稍微不同的性质。这种异构性反过来要求QPU的模拟层针对其控制的特定量子位进行定制。定制的需求使得构建QPU的过程难以扩展。量子位制造的更大一致性将消除自定义模拟层的需要，并将允许控制和测量信号的多路复用。

研究人员可能会在5到10年内开始引入大量的量子比特，这样他们就可以在机器上添加纠错功能，因此多路复用将是必需的。这种纠错背后的基本思想非常简单:不是将数据存储在一个物理量子位中，而是将多个物理量子位组合成一个纠错的逻辑量子位。

量子纠错可以解决退相干的基本问题，但每个逻辑量子位需要100到10,000个物理量子位。这还不是唯一的障碍。实现错误纠正需要一个低延迟、高吞吐量的反馈循环，该反馈循环横跨QPU的所有三层。

目前正在实验的许多类型的量子位中，超导电路、自旋量子位、光子系统、离子阱、氮空位中心等等，哪一种将被证明是最适合创造纠错所需的大量量子位的，还有待观察。不管哪一个被证明是最好的，很明显，成功需要包装和控制数百万量子比特，如果不是更多的话。

这就引出了一个大问题:这真的能做到吗?数百万个量子比特必须由连续的模拟信号来控制。这很难，但并非不可能。我和其他研究人员计算过如果设备质量可以提高几个数量级，那么用于执行错误校正的控制信号就可以进行多路复用，模拟层的设计就会变得简单，而数字层则管理多路复用方案。这些未来的qpu不需要数百万个数字连接，只需数百或数千个，可以使用当前IC设计和制造技术来构建。

更大的挑战可能是测量方面:芯片上每秒需要进行数千次测量。这些测量将被设计成不会干扰量子信息(直到计算结束都是未知的)，同时揭示和纠正过程中出现的任何错误。在这个频率上测量数百万个量子比特将需要测量理念的巨大变化。

目前测量量子位的方法需要对模拟信号进行解调和数字化。在数千赫兹的测量速率下，一台机器中有数百万个量子位，总数字吞吐量将是每秒拍字节。使用今天的技术处理的数据太多了，其中包括连接到芯片的室温电子设备，在接近绝对零度的温度下保持量子位。

显然，QPU的模拟层和数字层必须与量子处理层集成在同一个芯片上，并在那里实现一些用于预处理和多路复用测量的巧妙方案。幸运的是，对于纠正错误的处理，并不是所有的量子位测量都必须传递到数字层。只有当本地电路检测到错误时才需要这样做，这大大减少了所需的数字带宽。

量子层中发生的事情将从根本上决定计算机的运行状况。量子比特的缺陷意味着你需要更多的量子比特来进行纠错，随着这些缺陷变得更糟，对量子计算机的要求就会爆炸，超出了可行的范围。但反过来也是正确的:量子比特质量的改进对工程来说可能是昂贵的，但它们很快就会收回成本。

在当前的量子计算预原型阶段，单个量子比特控制仍然是不可避免的:它需要最大限度地利用我们现在拥有的少数量子比特。不过，很快，随着可用的量子比特数量的增加，研究人员将不得不设计出多路复用控制信号和量子比特测量的系统。

下一个重要的步骤将是引入纠错的基本形式。最初，将有两条并行的发展路径，一条有纠错，另一条没有，但纠错的量子计算机最终将占据主导地位。没有其他方法可以让机器执行有用的、现实世界的任务。

为了为这些发展做准备，芯片设计师、芯片制造工艺工程师、低温控制专家、海量数据处理专家、量子算法开发人员和其他人将需要密切合作。

如此复杂的合作将受益于国际量子工程路线图。然后可以将所需的各种任务分配给不同的相关专家，路线图的发布者管理小组之间的沟通。通过结合学术机构、研究机构和商业公司的努力，我们能够并将成功地构建实用的量子计算机，为未来释放巨大的计算能力。

本文发表在2020年4月的印刷版上，题为“量子计算机扩大规模”。