8、量子计算机的物理实现与编程挑战

量子计算机的物理实现与编程挑战

1. 量子计算机的物理实现技术

1.1 超导量子比特

超导量子比特基于超导现象工作。超导体是具有临界温度的材料，在临界温度以下，其电阻消失，可自由导电。与普通导体中单个电子导电不同，超导体通过电子对（库珀对）导电。库珀对形成超流体，无能量损失地流动，此时黏度为零，且与环境无相互作用，这对幺正演化和保持相干性很重要。

超导量子比特通常由铝制成，能长时间保持量子比特的相干性，使库珀对保持完整。每个库珀对都与一个波函数相关，波函数是描述量子态的复值函数，库珀对的数量代表波函数的振幅，磁场代表相位。

约瑟夫森结是超导量子比特中的重要组件，由两个或多个超导体通过薄绝缘层弱连接而成。当达到超导温度时，库珀对可隧穿该层，使超导体耦合。这种系统通常在极低温（如稀释制冷机中的 10 mK）下实现。多数构建的量子比特采用约瑟夫森结机制和具有超导触点的电容器，形成 LC 电路（电感 - 电容），适当调谐后可像量子比特一样工作。超导量子比特受欢迎是因为对量子态的可控性强、噪声水平低，是大规模量子计算机的理想选择，但目前制作量子比特或量子门时噪声水平仍超 0.1%，限制了大量量子门操作的准确性。

1.2 NISQ 时代

我们目前处于 NISQ（有噪声的中规模量子）时代。如今 50 - 100 个量子比特的量子计算机对许多应用来说还不够强大，很多应用需要数千个量子比特。但即便如此，它们仍可用于多体物理问题、量子化学模拟、量子密码学等领域。NISQ 由 John Preskill 提出，“中间规模”指未来几年将出现的 50 - 100 个量子比特的量子计算机，“有噪声”表示目前通过各种依赖物理原理的技术创建的量子比特受退相干噪