量子计算机目前还处于非常初级的阶段，如何集成化（integrated），规模化（scale up）是目前的难关。

1946年，在美国宾夕法尼亚大学电子系的莫利奇和艾克特领导下，为美国陆军军械部阿伯丁弹道研究实验室研制了一台用于炮弹弹道轨迹计算的“电子数值积分和计算机”(Electronic Numerical Integrator and Calculator，简称ENIAC)。

这台巨无霸占地面积170平方米，总重量30吨，使用了18000只真空管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线，耗电量140千瓦，可进行5000次加法/秒运算。

目前量子计算机的问题和最早的真空管计算机一样，非常的庞大和笨重。而且在集成化的路上还有不少的难关。你在新闻上看到的量子计算芯片大概长这个样。看起来非常小巧轻便是吧，是不是感觉马上就能集成到你的个人电脑中了？Naive!

如果需要这颗小芯片正常工作，要把它放到一个巨大的稀释冷却冰箱里（见下图）。稀释冷却冰箱的工作物质是超流态下He3和He4。冰箱在超流态的He循环下制冷，工作温度在~10mK。芯片不能在室温工作。因为量子计算中用到的量子态能标都非常小，室温下的一点点热扰动就会摧毁量子态。

这里插一句，这种稀释冷却冰箱世界上能造的就几家公司。哪天美帝要是不爽了，仿照制裁华为下个禁运令，中国量子计算芯片的研究也得抓瞎。

芯片放到冰箱里故事还没完，看到冰箱上面那一堆堆的电线了吗？这些都是控制量子比特需要的电路。目前的超导量子比特的操控还比较原始，每一个量子比特都要连几根线去调控、读取。而且值得强调的是，这里的量子比特操控和读取绝不是初中物理电路实验那么简单，接上电源测测电阻就行了。

操作量子比特的时候，打的脉冲波形要极其精确。这样的脉冲生成器单价都要五六位数。

读取量子比特状态的时候，微波腔内的测量精度要达到单光子的精度。

芯片设计的时候，还要考虑怎么连接这些控制读取线路。下图是冰箱打开的样子，看到密密麻麻的线路了吗，这些大部分都要连到芯片上。考虑到目前google只做到了53个量子比特，就需要这么多控制线路了。想实现百万个比特，首先要解决的就是控制电路的集成问题。

再有就是量子比特的退相干问题。工程问题解决的只是集成化，但是每个比特的相干时间依然是决定量子计算实用性的瓶颈。只有足够长的相干时间，才能在量子比特的“寿命”中执行更多的量子门，才能实现更复杂的量子算法。

目前超导transmon qubit用的比较多的材料是铝，退相干时间的提高也一直是挤牙膏。目前也有很多组在尝试用新结构^[1]或者新材料^[2]，提高超导比特的退相干时间。不过可以预见，退相干时间的提高也是一个难啃的硬骨头。

参考

1. ^https://arxiv.org/abs/2004.03975
2. ^https://arxiv.org/abs/2003.00024