7、量子计算：硬件架构与开发库全解析

量子计算：硬件架构与开发库全解析

1. 量子计算硬件架构

1.1 超导量子比特

超导量子比特是当前量子计算研究的热门方向之一。在超导量子比特中，存在静态和可调耦合两种方式。

静态耦合通过电容或电感来介导相互作用，是一种“常开”的耦合方式，其耦合强度在设计时就已固定。当两个量子比特达到共振时，耦合开启；通过失谐操作，耦合关闭。不过，即使在关闭状态下，仍存在小的残余耦合。为进一步降低这种残余耦合，可以在两个量子比特之间添加第三个对象，如另一个耦合量子比特或谐振器，然后通过调整量子比特和谐振器到合适的频率来实现两个量子比特的耦合。

目前，包括谷歌、IBM、Rigetti、QCI 等在内的多个团队都在致力于超导量子比特量子计算机的研究。

1.2 拓扑量子计算

拓扑量子计算试图利用任意子的独特性质。任意子是一种二维准粒子，既不是玻色子（如光子）也不是费米子（如电子）。通过在四维时空中编织任意子的路径，理论上可以创建一个对退相干效应具有鲁棒性的量子计算系统。这是因为系统的编织性质使得即使系统受到一系列小的扰动，其拓扑结构也不会改变，从而保持相干性，使量子计算能够继续进行。

Alexei Kitaev 最早提出了拓扑量子计算的概念，随后 Freedman、Kitaev 等人证明了这种拓扑计算机具有图灵完备性。Freedman 等人还在微软发起了一项研究拓扑量子计算机物理实现的项目。

1.3 离子阱

在离子阱方法中，镱原子（或其他元素）被激光电离，并被捕获在电势中形成一排量子比特。然后使用另一束激光来测量量子比特的状态。离子阱系统的支持者指出，该系统无需冷却到毫开尔