一，关于量子计算

随着经典计算机芯片的不断发展，元器件尺寸不断缩小，“热耗效应”和“尺寸效应”成为集成电路进一步发展绕不开的阻碍。与此同时，为应对与日剧增的海量数据和计算需求，人们开始探索经典计算架构以外的计算方式，量子计算机是其中的一个可能的解决方案。量子计算机的实现将在人工智能，生物制药，大数据检索，网络安全，量子模拟等各方面发挥重要作用。

二，量子计算的实现途径

由于量子计算的巨大潜力，现如今各国和世界各大企业也开始加大在这方面的探索。我们来简单的了解一下目前正在探索的量子计算机实现方式。

1 超导量子芯片

超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计、制备和测量等方面，与现有的集成电路技术具有较强的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计和控制，极具规模化的潜力。近些年的迅速发展，超导量子计算已成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。

超导电路类似于传统的电子谐振电路，这种谐振电路产生了谐振子的能级。超导约瑟夫森效应使得超导电路在不发生损耗和退相干的情况下发生非线性，非线性导致谐振子的能级间隔不再等同，其中最低的两个能级可以用来实现量子比特的操控。

超导量子计算的研究始于2000年前后。2009年，基于超导比特和腔的耦合，实现了俩比特的高保真度量子算法，使得超导量子计算受到广泛关注。

2014年开始，美国企业界开始关注超导量子比特的研究，九月Google与加州大学合作研究超导量子比特，使用X-mon形式的超导量子比特。

2017年，Google发布了实现量子计算机对经典计算机的超越-“量子霸权“发展蓝图。IBM制备了20比特的芯片。

同时，Intel，微软等公司也开始了这方面的研究。

国内，17年科大潘建伟研究组实现了多达10个超导比特的纠缠。18年初，中科院和阿里云联合发布了11位量子比特芯片。同时，合肥本源量子公司也正在开发6比特高保真度量子芯片。

2 半导体量子芯片

由于经典计算机主要基于半导体技术，基于半导体开发量子计算也是物理学家的研究的重点领域。相比超导量子计算微米级别的比特大小，量子点量子比特所占的空间是纳米级别，类似于大规模集成电路一样，更有希望实现大规模的量子芯片。现在的主要方法是在硅或者砷化镓等半导体材料上制备门控量子点来编码量子比特。编码量子比特的方案多种多样，在半导体系统上主要是通过对电子的电荷或者自旋量子态的控制来实现。

对于基于电子自旋的量子比特，自旋在磁场中劈裂产生的两个能级可以用来编码量子比特。由于对电荷噪声有较高的免疫效果，自旋量子比特的退相干时间非常长。

3 离子阱量子计算

离子阱编码量子比特主要是利用真空腔中的电场囚禁少数离子，并通过激光冷却这些囚禁的离子。以囚禁 为例，20个 连成一排，每一个离子在超精细相互作用下产生的两个能级作为量子比特的两个能级，标记为 和 。通过合适的激光可以将离子调节到基态，然后可以通过观察荧光来探测比特是否处于 。离子阱的读出和初始化效率可以接近100%，这是它超过前两种比特形式的优势。单比特的操纵可以通过加入满足比特两个能级差的频率的激光实现，两比特操控可以通过调节离子之间的库仑相互作用实现。

4 原子量子计算

除了利用离子，较早的方法还包括直接利用原子来进行量子计算。不同于离子，原子不带电，院子之间没有库仑相互作用，因此可以非常紧密地连在一起而不相互作用。原子可以通过磁场或者光场来囚禁，原子可以通过边带冷却的方式冷却到基态，然后通过激光对比特进行操控。

5 核自旋量子计算

1997年，斯坦福大学的Chuang等提出利用核磁共振来进行量子计算的实验，之后，基于核自旋的量子计算迅速发展，Grover搜索算法和7比特Shor算法相继在核自旋上实现。迄今为止，它的单比特和两比特保真度可以分别达到99.97%和99.5%。这种方法一般是利用液体中分子的核自旋进行实验，由于分子内部电子间复杂的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振频率，因而可以被单独操控，不同的核自旋通过电子间接发生相互作用，可以进行两比特操作。

6 拓扑量子计算

拓扑量子计算是一种被认为对噪声有极大免疫的量子计算形式，它利用的是一种叫作阿贝尔任意子的准粒子。为实现量子计算，首先要在某种系统中创造出一系列任意子-反任意子，然后将这些任意子的两种熔接结果作为量子比特的两个能级，再利用编织进行量子比特的操控，最后通过测量任意子的熔接结果得到比特的末态。

参考资料：《量子计算与编程入门》郭国平，陈昭昀，郭光灿