一份蓝图：量子计算机该如何走向实用时代？

数字处理层负责将微指令转换为脉冲，即操作量子比特所需要的信号类型，进而将量子比特转换为量子逻辑门。更准确地说，此层提供了模拟脉冲所对应的数字定义。模拟脉冲本身在QPU的模拟处理层内生成。数字层还负责将量子计算的测量结果反馈至上方的经典处理层，确保后者将量子解与经典计算结果整合起来。

目前，个人计算机或现场可编辑门阵列已经足以应对这些任务。但在对量子计算机进行量子纠错时，数字处理层会变得更加复杂。

接下来是模拟处理层，负责创建发送至量子比特的各种信号。这些信号主要表现为电压阶跃、微波脉冲的扫描与猝发等，其经过调相与调幅以保证正确执行必要的量子比特操作。这些操作直接指向相互连接为量子逻辑门的量子比特，而量子逻辑门又将进一步相互协同，根据当前运行的特定量子算法执行整体计算。

虽然从技术角度看，生成这样的信号并不是非常困难，但在管理量子计算机内的实际信号时，我们仍要面对不少障碍。一方面，发送至不同量子比特的信号需要在皮秒级时间尺度上保持同步。我们必须以某种方式将这些不同信号传递至对应的不同量子比特，确保它们正确执行不同操作。这事听着困难，做起来更困难。

分而治之: 在实用型量子计算机中，由于量子比特太多，我们无法独立将信号线附加至每个量子比特上。相反，我们只能使用空间与频率的复用组合。量子比特将被成组制造出来，并附加至同一条公共信号线上，其中每个量子比特被调整为仅响应一种信号频率（图中显示为不同颜色）。以此为基础，计算机即可生成特定频率的脉冲并通过模拟交换网络将脉冲仅发送至特定量子比特组，从而操纵量子比特中的目标子集。

在目前只包含几十个量子比特的小型系统当中，每个量子比特都被调谐至不同频率——大家可以将其理解为锁定在某一频道上的无线电接收机。我们在公共信号线上通过特殊频率选定要建起的量子比特。虽然可行，但这种方式扩展性较差。可以想见，发送至量子比特的信号必须具备合理的带宽，例如10兆赫。如果计算机内包含100万个量子比特，那么这样的信号系统将需要10太赫的带宽，这显然不可能实现。此外，我们也不可能建立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。

可行的解决方案，可能需要将频率与空间整理成复用组合。量子比特将被成组制造出来，各个组全部接入模拟通信网络，该网络负责将模拟层中生成的信号单纯接入选定的组子集处。只要正确安排信号频率与网络连接，我们就能够操纵单一或者一组目标量子比特，同时保证不影响其他量子比特。

虽然在理论上可行，但这种多路复用结构也有其代价：控制精度不足。如何解决这种精度不足问题，目前仍有待商榷。
在现有系统中，数字与模拟处理层主要运行在室温环境下。但下方的量子处理层（保存量子比特的层）则需要运行在绝对零度条件当中。不过随着未来系统中量子比特数量的持续增长，构建这三个层的电子设备必须集成到同一块经过封装的低温芯片内。

部分企业目前正着手构建基于超导量子比特的所谓预原型系统。这类设备最多包含几十个量子比特，能够执行数十至数百项相干量子操作。遵循这一思路的企业包括科技巨头谷歌、IBM以及英特尔。通过扩展控制线的数量，工程师们能够将现有架构扩展至数百量子比特，但也就仅此而已。量子比特之间保持相干性的时间很短（目前大约为50微秒），系统必须在退相干发生之前尽可能多地执行量子指令。

考虑到这些限制，预计未来一段时间，这类包含数百个量子比特的系统将主要作为常规超级计算机的加速器方案。量子计算机在处理特定任务时速度更快，能够将结果返回给超级计算机以供进一步处理。从某种意义上讲，这样的量子计算机类似于笔记本电脑中的GPU，专门用于完成矩阵求逆或者初始条件优化等CPU不太适合处理的任务。

在量子计算机的下一发展阶段，应用层的构建将越来越轻松。数字处理层同样相对简单。但是，构建QPU的三个层才是真正的核心难题，现有制造技术也无法产生完全一致的量子比特。因此，不同的量子比特之间必然存在略有差异的属性。这种异质性又要求QPU中的模块层做出针对性的适应。这就带来了定制化需求，并导致构建QPU的流程难以大规模扩展。要想开发出规模更大的量子比特系统，首先需要消除模拟层的定制化需求，同时找到可行的控制信号与测量信号多路复用方法。

要在未来五到十年内显著提升量子比特数量，研究人员必须首先找到成熟的多路复用方案，确保他们能够在设备上提升纠错功能。这种纠错功能的基本思路很简单：不再将数据保存在单一物理量子比特中，而是将多个物理量子比特组合为同一个经过纠错的逻辑量子比特。

量子纠错能够从根本上解决退相干难题，但每个逻辑量子比特可能需要100到10000上物理量子比特。这还不是唯一的障碍——实现纠错还需要一套低延迟、高吞吐量的反馈环路，且跨越QPU中的全部三个层。

目前正处于试验阶段的量子比特分为多种类型，包括超导电路、自旋量子比特、光子系统、离子阱、氮空位中心等等，我们还不清楚哪一种最适合用于创建大规模量子比特系统。无论哪种方法最有效，可以肯定的是要打造出通用型量子计算机，我们至少需要能够封装并控制数百万个量子比特（甚至更多）。

这就引出了新的疑问：这一切真能实现吗？数百万个量子比特必须由连续的模拟信号精准控制。很难，但并非完全不可能。我和其他研究人员经过计算后发现，如果能够将设备质量提升几个数量级，即可实现对纠错控制信号的多路复用，模拟层的设计将因此变得简单明了，数字层则可直接管理这套多路复用方案。以此为基础，未来的QPU将不再需要数以百万计的数字连接——只需要数千甚至数百条即可，现有IC设计与制造工艺已经完全能够实现。

（编辑：应用网_丽江站长网）

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