一份蓝图：量子计算机该如何走向实用时代？

数字处理赏罚层认真将微指令转换为脉冲，即操纵量子比特所必要的信号范例，进而将量子比特转换为量子逻辑门。更精确地说，此层提供了模仿脉冲所对应的数字界说。模仿脉冲自己在QPU的模仿处理赏罚层内天生。数字层还认真将量子计较的丈量功效反馈至上方的经典处理赏罚层，确保后者将量子解与经典计较功效整合起来。

今朝，小我私人计较机或现场可编辑门阵列已经足以应对这些使命。但在对量子计较机举办量子纠错时，数字处理赏罚层会变得越发伟大。

接下来是模仿处理赏罚层，认真建设发送至量子比特的各类信号。这些信号首要示意为电压阶跃、微波脉冲的扫描与猝发等，其颠末调相与调幅以担保正确执行须要的量子比特操纵。这些操纵直接指向彼此毗连为量子逻辑门的量子比特，而量子逻辑门又将进一步彼此协同，按照当前运行的特定量子算法执行整体计较。

固然从技能角度看，天生这样的信号并不长短常坚苦，但在打点量子计较机内的现实信号时，我们仍要面临不少障碍。一方面，发送至差异量子比特的信号必要在皮秒级时刻标准上保持同步。我们必需以某种方法将这些差异信号转达至对应的差异量子比特，确保它们正确执行差异操纵。这事听着坚苦，做起来更坚苦。

分而治之: 在适用型量子计较机中，因为量子比特太多，我们无法独立将信号线附加至每个量子比特上。相反，我们只能行使空间与频率的复用组合。量子比特将被成组制造出来，并附加至统一条民众信号线上，个中每个量子比特被调解为仅相应一种信号频率（图中表现为差异颜色）。以此为基本，计较机即可天生特定频率的脉冲并通过模仿互换收集将脉冲仅发送至特定量子比特组，从而哄骗量子比特中的方针子集。

在今朝只包括几十个量子比特的小型体系傍边，每个量子比特都被调谐至差异频率——各人可以将其领略为锁定在某一频道上的无线电吸取机。我们在民众信号线上通过非凡频率选定要建起的量子比特。固然可行，但这种方法扩展性较差。可以想见，发送至量子比特的信号必需具备公道的带宽，譬喻10兆赫。假如计较机内包括100万个量子比特，那么这样的信号体系将必要10太赫的带宽，这显然不行能实现。另外，我们也不行能成立100万条单独的信号线，用来直接将每信信号单独发送至每一个量子比特。

可行的办理方案，也许必要将频率与空间清算成复用组合。量子比特将被成组制造出来，各个组所有接入模仿通讯收集，该收集认真将模仿层中天生的信号纯真接入选定的组子集处。只要正确布置信号频率与收集毗连，我们就可以或许哄骗单一可能一组方针量子比特，同时担保不影响其他量子比特。

固然在理论上可行，但这种多路复用布局也有其价钱：节制精度不敷。怎样办理这种精度不敷题目，今朝仍有待商讨。
在现有体系中，数字与模仿处理赏罚层首要运行在室温情形下。但下方的量子处理赏罚层（生涯量子比特的层）则必要运行在绝对零度前提傍边。不外跟着将来体系中量子比特数目的一连增添，构建这三个层的电子装备必需集成到统一块颠末封装的低温芯片内。

部门企业今朝正着手构建基于超导量子比特的所谓预原型体系。这类装备最多包括几十个量子比特，可以或许执行数十至数百项干系量子操纵。遵循这一思绪的企业包罗科技巨头谷歌、IBM以及英特尔。通过扩展节制线的数目，工程师们可以或许将现有架构扩展至数百量子比特，但也就仅此罢了。量子比特之间保持干系性的时刻很短（今朝约莫为50微秒），体系必需在退干系产生之前尽也许多地执行量子指令。

思量到这些限定，估量将来一段时刻，这类包括数百个量子比特的体系将首要作为通例超等计较机的加快器方案。量子计较机在处理赏罚特定使命时速率更快，可以或许将功效返回给超等计较机以供进一步处理赏罚。从某种意义上讲，这样的量子计较机相同于条记本电脑中的GPU，专门用于完成矩阵求逆可能初始前提优化等CPU不太得当处理赏罚的使命。

在量子计较机的下一成长阶段，应用层的构建将越来越轻松。数字处理赏罚层同样相对简朴。可是，构建QPU的三个层才是真正的焦点困难，现有制造技能也无法发生完全同等的量子比特。因此，差异的量子比特之间肯定存在略有差此外属性。这种异质性又要求QPU中的模块层做出针对性的顺应。这就带来了定制化需求，并导致构建QPU的流程难以大局限扩展。要想开拓出局限更大的量子比特体系，起首必要消除模仿层的定制化需求，同时找到可行的节制信号与丈量信号多路复用要领。

要在将来五到十年内明显晋升量子比特数目，研究职员必需起首找到成熟的多路复用方案，确保他们可以或许在装备上晋升纠错成果。这种纠错成果的根基思绪很简朴：不再将数据生涯在单一物理量子比特中，而是将多个物理量子比特组合为统一个颠末纠错的逻辑量子比特。

量子纠错可以或许从基础上办理退干系困难，但每个逻辑量子比特也许必要100到10000上物理量子比特。这还不是独一的障碍——实现纠错还必要一套低耽误、高吞吐量的反馈环路，且超过QPU中的所有三个层。

今朝正处于试验阶段的量子比特分为多种范例，包罗超导电路、自旋量子比特、光子体系、离子阱、氮空位中心等等，我们还不清晰哪一种最适实用于建设大局限量子比特体系。无论哪种要领最有用，可以必定的是要打造出通用型量子计较机，我们至少必要可以或许封装并节制数百万个量子比特（乃至更多）。

这就引出了新的疑问：这统统真能实现吗？数百万个量子比特必需由持续的模仿信号精准节制。很难，但并非完全不行能。我和其他研究职员颠末计较后发明，假如可以或许将装备质量晋升几个数目级，即可实现对纠错节制信号的多路复用，模仿层的计划将因此变得简朴明白，数字层则可直接打点这套多路复用方案。以此为基本，将来的QPU将不再必要数以百万计的数字毗连——只必要数千乃至数百条即可，现有IC计划与制造工艺已经完全可以或许实现。

（编辑：河北网）

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