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前沿科技｜《量⼦計算與應⽤》第1期
发布時間：
2020-06-19 10:22
在(zai)这(zhe)本⾯向量⼦⼯程師，研究⼈員和科學家(jia)的有關量(liang)⼦計算和應⽤的研究(jiu)筆記本中，我們將討论並总結核⼼原理和量(liang)⼦計算的實际應⽤领域。
首先(xian)，我(wo)們需要回顧計算技術从早期出現到現代微處理器時(shi)代之前的发展脉絡。随着摩爾定律(lv)在最近十年中(zhong)逐渐失效，對新型計算(suan)範式的探索再次成為研究(jiu)重點。这種探索涉及如何通過半导(dao)體和超导體(ti)等物質载體，在从原子到光子的多種物理系統中實(shi)現(xian)量子位的存储與操作，並將計算逻輯映射到具(ju)體物理系統的行為特性上。这種橫跨物理學、工程(cheng)學多個领域的全維度思考與研(yan)究方法，本身(shen)就是一項历史性的科學挑战。正因為量子(zi)系統(tong)具有叠加、纠缠等(deng)新特(te)性，傳統的計(ji)算算法需要随之改變以適應物理系統(tong)的多樣化變化，同時也(ye)需要考虑在量子系統中對信息進行编碼與處理(li)的全新可能性。这些技(ji)術進步的发展將深刻影(ying)響工程、科學(xue)、技術、商業和社會各個领域。
之后，我們將深入討论和理解實际量子計(ji)算系統開发人員当前面臨的具體工程挑(tiao)战，包括硬件集成、误差纠正(zheng)、系統(tong)稳定性等多個維(wei)度。
稍后，討论潜在的業務應⽤程序，这些新的計算功能可以解決这個(ge)問題。盡管規模很⼩，但我們利⽤IBM Quantum Experience來(lai)解決實际問題(ti)。
1.量⼦計算和信息時代
首先(xian)，量子計算和信息處理作為一種前沿科(ke)學领域(yu)，一(yi)直是學術界(jie)、政府實驗室以及(ji)工業研究機構重(zhong)點關注和深入研究的對象。这門學科起源於(yu)物理學基礎理(li)论，但在(zai)過去的(de)五年到十年中，它正在逐步从基礎科學研究阶段過渡(du)到實际(ji)技術應用的現實阶段。在这個从理论向實践轉變(bian)的(de)關键時期，存在(zai)着大量需要解決的技(ji)術难題。其中許多(duo)研究工作都涉及工程學领域的(de)核心問題，需要進行系(xi)統化的(de)工程設計和實現。因此，未(wei)來在这個领域的发展中，來自傳統工程(cheng)學科背景的(de)技術人員將扮演越來越重要的角色。这個趨勢同時也催生了(le)一個全新的學科術语—"量子工程"，用於準確描述(shu)这一新興交叉领(ling)域。此外，量子工程正(zheng)在將量子科學基礎與傳(chuan)統工程學科建立起紧密聯系。这兩個领域都需要轉向並满足構建量子測試驗(yan)證平臺的實际需求，这種需求的满(man)足必將导致未來新型(xing)量子系統的出現和发展。就學科背景而言，当今許多从事相(xiang)關工作的人員，无论是接受過量子物理學家專業培訓還是接受過量(liang)子工程師職業培(pei)訓的，都在廣泛討论和交流(liu)其他(ta)相關學科的知识。我們的期望是，随着時間(jian)推(tui)進，我們能(neng)够逐步定義和(he)規範量子信息處理的工程學方面，開始以工程(cheng)師从物理學抽象出工程概念的方式來進行抽(chou)象化處理，从而將其逐步轉化為一(yi)個純粹的工(gong)程問題和系統問題，並且希望这種轉變(bian)在当前十年中能够實(shi)現，使得人們將能够在不需要深(shen)入了解底層复雜量子物理學原理的情况下(xia)做出更多實質性貢献。采取这種策略的根本動機就是開始有效(xiao)橋接量子科學和量(liang)子工程这兩個领域。从某種(zhong)意(yi)義上講，量子計算機正在開始走出傳(chuan)統的學術研(yan)究實驗室，逐步向更廣泛的社會人群中(zhong)進行商業化應用和推廣。現在，它已經(jing)成為計算機科學领域的一個重要(yao)研究方向，而不(bu)是仅仅停留在物理學家和(he)数學家的專有领域。傳統上，物理學家和数學家一直走在这一领域研究的前沿，而現在工作目標是使計算機科學家和電氣工程師達到同等的理论與實践水平，並且随着我們的不断前進，還需要有效應對由此而來的系統工程挑战。随着量子計算领域的不断成熟和完善，这個领域肯定會吸引越來越多的計算機科學家、软件程序員和電氣工程领域的工程師投身其中。但是，这並不意味着物理學家和数學家將停止从事量子科學研究和理论方面的工作。相反，物理學家和数學家將繼續积極參與这一新型計算方向的開发和完善。此外，為了增強並全面構建量子計算的實践體驗、提升内部工作流程的成熟度、並將專業技術知识與經濟效益進行有效地關聯和轉化，有許多在線量子計算機已可供開源社區使用和远程操作。其中包括IBM Quantum Experience、Rigetti擁有的在線量子計算機、D-Wave開发的在線量子計算機、以及Google也在积極準備推出的在線量子計算機。这些開放源代碼可用性的重大影響和核心優勢在於引发了業界人士開始對这些現有系統上運行的各種算法展開深入討论，这些算法能够充分利用当前最先進的量子硬件功能對社會產生了深远的影響。我們還可以與大學和研究機構的教職員工以及研究生團隊進行充分交流與合作。获得和培养科技人才是这個领域发展的重要組成部分。如果我們有一些值得深入探索的好想法並且可以作為實际解決方案，那麼我們可以直接與IBM、Rigetti、D-Wave和Google等行業领先公司進行合作，在其提供的系統平臺上進行實施和驗證。因此，存在着一種自然而有序的途径可以通過學術界的支持進入量子信息领域。这条路径从教育培养開始，逐步進入實际應用领域，我們期待这是一種能够產生有效和實用价值的想法，是行業向前发展的最佳途径。以目前最先進的量子計算技術能力來看，我們今天能够計算出的結果與未來量子計算的巨大潜力之間似乎没有太大的直接關系。那麼，我們為什麼需要現在就研究和重視量子計算？存在着一些關键應用领域會深刻影響当今世界的发展，其中最重要的一個是信息安全保護，这對社會中的每個人和每個組織都至關重要。我們不仅要在今天，而且要在未來几十年中持續確保信息的安全性。因此，我們不断地記錄、编寫並與我們的合作伙伴共享各類信息，例如業務发展战略、商業秘密、政府部門公報、個人隐私信息等，但同時又不想讓这些敏感信息透露給其他人並遭遇黑客入侵。因此，我們對这些信息進行加密處理並在全球範围的電子通信渠道上共享。当前，最先進的加密解決方案是相当強大的，由於我們還没有實現具備破解能力的量子計算機，因此其他人无法解密这些信息，这是当今的現實情况，但是在將來，当我們擁有足够的量子計算能力時，今天共享和傳輸的信息就可能在將來被成功解密。我們需要提前了解和研究量子計算的真實含義，才能及時发現並预防現在我們的信息加密所存在的潜在漏洞。顯然，这是一個極其重要的战略方面。另一個同樣重要的應用方面是，絕大多数复雜的經濟和商業問題都可以归結為優化問題。例如，如果要在复雜的芯片設計中進行電路的精確布線和布局規劃，我們需要對其進行全面優化。这可能就像物流配送中的送货上門問題一樣簡單直觀。我們想選擇最短路径以降低成本，現實中存在着許多類似的優化問題需要解決。我們將能够確定和识別組織中的某些關键問題，这些問題可能會直接受益於量子計算的独特優勢，这顯然與因数分解无關，而與優化問題求解、量子仿真或量子模擬有着更加紧密的關聯。这些都是我們需要認真考虑和深入探索的重要解決方案领域，因為在將來，量子計算機必然將對我們的日常生活和工作產生深远的影響。
量子計(ji)算不會(hui)取代經典計算，而(er)是將(jiang)长期與其共存並互补。我們將始終需要一臺經典計算機在其旁边運(yun)行和(he)控製量子計算機，这(zhe)是混合計算架(jia)構的基本特征。至少按照我們今(jin)天的理解，量(liang)子計算機在處理特定問題時比經典計算機更有效率，但这些問題(ti)的範围受限。最好的說法是：量子計算機理论上可以運行我們在傳統計算機上運行的任何(he)算法，但實(shi)际上它可能做不到比現(xian)在傳統計算機做的更好。这種能力的局限性決定了量子計算機(ji)的部署模式(shi)和應用前景。因此，在(zai)可预见的將來，我(wo)們認為量子計算機將部署在云中，或者我們可以將它們視為一種大型主機型計算機，通過網絡远程访問。我們將其用於解(jie)決诸如量子(zi)仿真、分(fen)子(zi)模擬、優化問題等特定(ding)领(ling)域的問題。在不(bu)久的將來，特別是(shi)在我們(men)能够製造出完全纠错、完全抗错的量子計算機之(zhi)前，我們將(jiang)使用有缺陷的量(liang)子位，这些量子位的(de)相干性(xing)和保真度都受到物理限製。因此，我們本身无法進行非常非常长的計算，計算深度受到嚴格(ge)約束(shu)。因此，很(hen)可能我們最先看到量子計算機是作為經典計算機的核心處理器的加速(su)器而出現，經典計算機用(yong)來運行和编排总體算法的逻輯流(liu)程。然(ran)后(hou)，經典計算機會調動量子節點進(jin)行特定的計算(suan)任務，並定期获得問題的一(yi)小部分子問題的答案，采用返(fan)回的该答案，然后(hou)將其合並到正在運行的更大算法中(zhong)。所以確實是这樣(yang)，至少(shao)在可预见的未來，量(liang)子計(ji)算機很可能會與經典計算機一起工作，形成异構計算體系。在經典的数字計算機(ji)上，数字和門電路(lu)每秒被應用了十億(yi)次，这(zhe)是傳統(tong)計算的基本操作速率。量子計算機上類似的基(ji)本操作是什麼？这個問題關涉到(dao)量子門操作的執行頻(pin)率、量子位的操(cao)作(zuo)保真度等核心指標。
下一個挑(tiao)战是解決子模块的大規模量子計(ji)算問題，这涉及到如何在量子系統規模不断擴展的過程中保持結構清晰和可(ke)控性(xing)。因此，有可能使(shi)用量子網(wang)絡或其他方法來應對这一挑战吗？像集群計算機可以模擬一個1,000量(liang)子位的系統，但是只能使用20個这(zhe)樣的子單元每50量子位，这就(jiu)是模块化的核心概(gai)念——通(tong)過將复雜的大規模系統(tong)分解為较小的、可管理的(de)功能單元來簡化整體架構(gou)。这是一個活跃的研究领(ling)域，衆多科研機構和產(chan)業界都在围繞模块(kuai)化量子系統設計展開深入探索。未來的期望是(shi)我們將在建立的任何大型qubits系統(tong)中添(tian)加類似於模块化的内容，使得系統具有更強的可(ke)擴展性和可(ke)維護性。在經典計算機(ji)系統(tong)中，由於它(ta)們的复(fu)雜性，因此在構建这些系統時总會(hui)看到(dao)某種程度的模块化，这已經成為工程設(she)計的標準實践。作為量(liang)子計算的早期阶(jie)段，我們(men)正在使用個別有(you)缺陷的量子位，並試圖(tu)通過容错和纠错來解決这一問題(ti)，對此已(yi)經有了(le)一条完整的研究思路，涵盖从理论框架到實驗驗證的多個環節。但是，實現和應用將需(xu)要(yao)一些時間，因(yin)為涉及到(dao)硬件工藝、控製算(suan)法和系統集成等多方面的(de)技術突破。與此同(tong)時(shi)，我(wo)們正在審視这種(zhong)混沌的系統，並从这種混沌現象(xiang)中派生出中(zhong)級量子計算的概念，即在我們(men)今天或在可预见的將來，通過使用的量子(zi)比特來進行的量子計(ji)算，这是相当不(bu)错的主意(yi)，但並(bing)不是好到足以保障我們可以从头到尾地、完整(zheng)地完成計算。因此，这(zhe)些NISQ量子計算機(ji)很(hen)可能是50到100量子位的集(ji)群，並且很有可能是與經典計算機一起運行的协處理器，其中經典計算機將拉動这些量子子系統或提出問題多次访問此子模块並获取和匯总这些答案，通過標記子問題達到解決总體問題的目標。当然，这是我們可以想象將模块化集成到量子計算機中的一種方式。在被捕获的离子中，還有其他例子，例如超导量子位，以被捕获的离子為例，單個离子阱可以保持100量子位的数量級，这種离子阱技術因其相對较低的退相干速率而受到關注。但是，要達到1,000量子比特，这已經超出了任何單個陷阱所能容納和容納的範围，因此需要采用分布式的多陷阱方案。因此，我們的想法是建立100量子位离子阱，然后使用激光和缠結在它們之間進行通信，以運行由这些较小模块組成的大型計算機，这種离子間的量子態傳輸對於實現模块間的协同計算至關重要。QCI正在為超导量子比特開发一個類似的概念，在那里我們有一個微波腔。在此腔體内，我們可以编碼多個qubit值的信息，而不管该腔體内的几種模式，還是信息以复雜的Ket状態存储。然而，然后这些諧振器將彼此相干耦合以製造更大規模的量子計算機，通過諧振器間的耦合機製實現不同模块之間的相互作用。因此，随着我們構建更大的模块，模块化將成為未來量子計算系統的一部分，这一发展方向對於推動量子計算从實驗室走向實际應用具有重要意義。
現在，除了量子系(xi)統硬件(jian)以外，量子编程语言也在积極发展。软件堆栈的開发有(you)很多活動(dong)。每個正在研究量子計算的主要工(gong)業公司都在開发它(ta)，IBM擁(yong)有其Qiskit，Google或Rigetti，以及Microsoft，它們都在開发软件平臺並解決软件(jian)堆栈中的各個(ge)層次。在量子(zi)計算的软件體系結構中，需要處理(li)多個(ge)技術維度，包括實時控製物理量子層面(mian)、硬件層面的软件以及编译器層面。编译(yi)器软件作為(wei)關键環節，负責將用戶编寫的試圖實施量子算法的(de)程序编译為量子計算機運行所需要的指(zhi)令集，这一過程涉及复雜的(de)優化和(he)映射工作。在编程领域(yu)有很多(duo)研究活動，在工業领域和大學中都(dou)有一些针對这些任務的學術計劃(hua)。我們希望这些研究活(huo)動將繼(ji)續下去，不(bu)仅因為有許多工作(zuo)要做，而且還因為(wei)量子計算機本身將随着每(mei)一代的发展而成熟，其性能指標(biao)、稳定性和可靠性都在不(bu)断提升(sheng)。随着它們的成熟，量子编程语言也將成熟，兩者之間形成(cheng)相互促進的发展循(xun)環。
软件開发的另一(yi)方面與(yu)實現算法不直接相關，但同等重要，並且與非常基本的硬件迭代的(de)開发紧密相(xiang)连。設(she)計量子計算機所需的(de)電子設計自動化（EDA）類型設計软件構成了这一领域(yu)的核心(xin)基礎設施。在量子計算硬件的工程化過程中，現有的模擬器可以(yi)模擬超导芯片或半导體芯片的電磁場特性，或者通過采用(yong)量子電路的GDS文件設計，利用布局優化器(qi)來(lai)模擬该量子電路，以了解其是否具備预期的電磁行為(wei)方式和特(te)點。这類(lei)仿真工具使設計人員能够在物理製造前進行虚擬(ni)驗證，大(da)幅降低硬件設計風险。所有这些都是(shi)設計實际系統的必(bi)要方面，涵盖(gai)了从電磁兼容性(xing)分析到布線參数優化的全流程。因此，这是正在進行软件開发(fa)的另一個關键领域。随着第一臺商用(yong)量子計(ji)算機IBM Quantum System One的推出(chu)，量子計算已經从實(shi)驗室中脱(tuo)颖而出，成為計算機科學家、软件程序員和電氣工程師(shi)不容置疑的專業(ye)领域，当然還包括物理(li)學家(jia)和数學家。IBM量子(zi)系統是第一臺可商(shang)用的通用門模型量子計算機，其問世(shi)標志着量子計算的(de)實用化進展。D-Wave系統也已經存在了几年，代表了量子退火等不同(tong)技術路線的商業化探(tan)索。这也可以說是(shi)量子硬件化過程中的一種重要商業服務(wu)，推動了量子計算(suan)从理(li)论研究向產業應用的轉變。
我們將首先介紹現有的量子計算設備的類型及其基(ji)本架(jia)構特征。我們還(hai)將介紹經典電子計(ji)算的发展历史，从最早的計(ji)算機原型到現代通用計算機(ji)的演進過程。然后我們详細比较一下从經典計算時代到今天的量子計算(suan)的本質區別(bie)與技術進展。在量子門的(de)研究中，我們深入探(tan)討了單量(liang)子位門與雙量子位門的操作原理，以及(ji)它們在通用量子算法中的具體應用方式。我們討论量子干涉和量子並行性，这兩個現象共同構成了量子計算機強大功能的理(li)论基礎(chu)。我們來看量(liang)子模擬或仿真的實現方法、量子硬件設備(bei)的具體(ti)示例，以及通用門(men)模型量子計(ji)算機的工作原理。我們還將討论量子位模態及其性能指標(biao)。因此，我們从量子計算機的DiVincenzo標準(zhun)開始(shi)，这是評估量子計算系統可(ke)行性的關键準則。我們會討(tao)论量子位的魯棒性和相干時間这兩個影響計算(suan)精度的核心參数。我們還將討论門操(cao)作(zuo)時間如何關键，並引入了称為門保(bao)真度的qubit度量指標。然(ran)后(hou)，我們(men)比较不同的相互對抗的實現(xian)方式。我(wo)們還將調查其中的一(yi)些問題，包括缺陷中心、离子阱、超导量子位、半导體量子(zi)位等多種技術路線。我們將專注於捕获的离子和超导量子位这兩種主(zhu)流實現方案。我們正在看量(liang)子計(ji)算的前景，以及前景中量子通信的潜(qian)力(li)，以及量子優勢(shi)和相關算法的发展(zhan)方向。我(wo)們看電路模(mo)型，看看Deutsch-Jozsa量子(zi)算(suan)法的工作機製。最后，我們將討论關於(yu)量子計(ji)算领域的各個行業參與者的觀點，我們討论了IBM、Google、微软(ruan)、IonQ、Rigetti、QCI和D-Wave Systems等主要企業的技術(shu)路線與战略。接下來，我(wo)們將查看電路模型並详細討论Deutsch-Jozsa量子算法的理论(lun)基礎與實現細節。然后我們將應用(yong)Deutsch-Jozsa算法並在IBM Quantum Experience平臺(tai)上運行它，通過實际操(cao)作驗證算法的正確性。
2.量⼦計算
量子計算機已(yi)成為当今新闻媒體和(he)學術討论中的熱門話題。量子計算之(zhi)所以令人瞩目，在(zai)於其被寄予厚望(wang)能够解決特定類型的复雜問題，这些問題對於人類社會的進步具(ju)有(you)重要意義——尤其是那(na)些当前依赖傳統計算(suan)機无法有效解決、甚至根本无法破解(jie)的难題。在衆多(duo)應用(yong)领域中，药品和药物開发過程涉及的分子結(jie)構分析、高温超(chao)导體材(cai)料設計、機器(qi)學習算法的创新(xin)方向、人工智能的发展(zhan)前景、复雜優化問題的求(qiu)解，以及技術金融(rong)服務中(zhong)的風险計算等方面，量子計算都展現出了變革性(xing)的潜力。此外，量子計(ji)算甚至將彻底挑战並重塑我們目前安全傳遞信息和数據加密的整個方式。毫无疑問，这描绘出了(le)一個令(ling)人憧憬而充满前景的未來，但这也引发了我們必(bi)须深入思考的几個根本性問題(ti)。量(liang)子計算機究(jiu)竟是什麼，它在實际應用中的合適(shi)場景是什麼，更為(wei)關(guan)键的是，我們何時才能真正擁有可用的量子計算機。量子計算機絕非仅(jin)仅是經典計算機的縮小版或(huo)加速版本，它們(men)在本質上(shang)存在根本性的差异。在傳(chuan)統数字計算機(ji)的世界里，比特作為信息的最基(ji)本單位，其状態只能是零或(huo)一。而在量子計算機中，引入了量子比特或称(cheng)為qubit的(de)概念，这是零和一的叠(die)加態。量子比特可以被設(she)計和精確(que)控製，这要求我們對量子力(li)學進(jin)行深入的設計和操縱。因此，当我們討论擁有真正意義上的量(liang)子計算(suan)機時，这涉及到極其微妙和精細的技術問題，其答案也勢(shi)必复雜而挑剔。關於量子計算機的實現(xian)，學術界和產業(ye)界已經討论十多(duo)年，實际上这個話題的历史跨度更长(zhang)。嚴格从技術(shu)定義的角度(du)而言，我們已經擁有量子計(ji)算機，只是規模仍很小(xiao)，處於早期實驗阶段(duan)。距离量子計算大規模應用的時代還有数(shu)十年甚至更长的发展周期。量子計算機根本不是今天傳統計算機的更快、更小迭代版本，也不屬於摩爾定律框架下的渐進式发展步骤。相反，量子計算機代表了一種全新的、根本不同的計算範式，對於某些具有重大社會和經濟意義的問題類型具有巨大的計算優勢。量子計算能够變革那些存在大規模優化問題的產業和行業领域。在許多實际應用中，需要做出大量的离散或二進製決策，決定哪些任務先執行還是后執行，这類問題正是量子計算的優勢所在。理解經典計算機和量子計算機根本區別的另一種角度是通過量子模擬來研究量子系統。量子處理器是用於對其他量子系統建模的最合適工具。生物分子系統及其他我們接触的大規模复雜系統，其本質上是基於量子力學性質而運作的材料系統。要對这些系統中的量子效應進行準確的模擬和预測，我們必须依靠量子機器。当我們能够精確操縱單個分子、深入理解这些分子中发生的物理過程以及它們之間的化學键合機製時，我們將能够更好地設計和生成可能極其有用的新型材料和新颖化合物。盡管前景誘人，但我們目前仍處於量子計算发展的初始阶段，正在進行原型處理器的組裝和測試工作。这種状况類似於上世紀1950年代基於晶體管的電子計算器剛剛诞生的阶光。历史表明，正如集成電路技術曾引发上個世紀的信息處理革命，推動全球經濟增长和生產力发展一樣，許多技術專家和業界领袖当下認為，量子計算在本世紀將產生類似的深远影響。量子計算和量子算法从根本上提出了全新的编程和算法設計範式，要求我們从不同的角度思考如何释放計算的潜能。我們仍在探討許多關键問題，包括如何改進各個量子計算組件、如何將这些組件有效地连接和集成，以及如何增強量子比特的复雜性和功能性。我們正處於这場新技術革命的開端。整個领域的參與者都認為这是一個極具吸引力的发展時期。本討论的目標在於將真實的技術承諾與市場炒作分開，並从科學技術的角度理解量子計算的工作原理及其實际應用的基礎。我們的探討將从聚焦这些基礎概念和原理開始。
量子計算機並非單純是(shi)傳統計算機的微縮或(huo)加速版本，而是代表了信(xin)息(xi)處理方式的根本性革新。这種基(ji)於(yu)量子力學原理的計算範式，在處理具有高复雜度的實际問題時能够突破(po)經典計算(suan)的性能瓶颈。
•⽹絡安全 •材料科學 •化學 •製药 •機器學習 •優(you)化(hua)等。
3.量⼦計算機概述
在過去的80年中，計算機技術經历了翻天覆地的演進，从早期(qi)采用真空管作為核心電(dian)子元器件的ENIAC等機型開始，逐步奠定了(le)現代計算(suan)基礎（圖1），这
当(dang)前，量子計算機正處於(yu)研究和原型設計阶(jie)段，其物理形態看起來比筆記本(ben)電脑或平板(ban)電脑更像ENIAC这樣的早期計(ji)算機系統(tong)。这些量子系(xi)統經常需要使用各種專用機器和工具來占據整個實驗室空(kong)間，以便能够容納和操作量子計(ji)算機的(de)核心部件。围繞量子計算"核心(xin)"的(de)基礎架構的一(yi)部分對於保護量子計算機免受電磁噪聲、機械振動、熱波動和其他環境噪聲源的(de)干扰和(he)损害是必要的，这些(xie)噪聲源往往會嚴重降低量子(zi)系統的性能和計算精度。基礎架構的另一部分，包括(kuo)常規的"經典"計算(suan)機(ji)、電子設備和光學(xue)系統等配套模块(kuai)，用於控製量子(zi)計算機的運行(xing)、實現特定算法的執行(xing)過程並讀(du)出最終的計算結果。
研究(jiu)級的超导量子處理器被精心安裝在悬挂於支撐結構上的白色(se)稀释冰箱内部。该冰箱系統通過(guo)先進的製冷技(ji)術，將處理器温度(du)降低(di)至毫開爾文量級，以满足超导量子計(ji)算所需(xu)的極低温度工作環境。
圖3：稀释冰箱;來源：IBM
圖4：超导量⼦處理器；來源：IBM
圖5：超导量⼦位元;來源：IBM
圖6：超导量⼦退⽕炉;來源：D-Wave
在(zai)上圖中，我們看到了一個大型研究級稀释冰箱，这是超导(dao)量子計算系統(tong)中的核心低温設備，用於容納和冷卻原型超导量(liang)子處理(li)器。量子芯片的正常工作需要極端(duan)的低(di)温環境，製冷(leng)系統必须將量子芯片冷卻(que)到小於20毫開爾文的工作温(wen)度，这個温度相比外部空間還要冷100倍以上。稀释冰箱除了提供必要的超(chao)低温工作環境外，還肩负着隔离和衰减(jian)熱负(fu)荷的重要職責，能够顯著降低來自外界的(de)熱量干扰。同時冰箱的屏蔽結構有效减少(shao)了外部噪(zao)聲對量子芯片的影響，这一點至關重(zhong)要，因(yin)為任何额外的熱(re)噪聲都會嚴重降低量子處理器的性能和測量精度。熱负荷和噪聲源(yuan)主要來自通過各種類型(xing)電缆连接至芯片的室温電子設備。
圖7：Google系統；來源：Google
在下(xia)圖(tu)中，我們看到一個光學平(ping)臺，其上放着一(yi)個大黑匣子，上面裝有用(yong)於控製和測量俘获离子量子計算機(ji)的光學系統。被困的离子計算機(ji)"核心(xin)"本(ben)身可能位於3-4開爾文温(wen)度左右(you)的低温室内，这種極低温環境的获得和維持(chi)需要采用類似於外部空間環境的超高真空条(tiao)件，盡管在(zai)特定的應用場(chang)景中这並非絕對必需。高稳定性激光器通(tong)過精心設計的各種(zhong)镜子、分束器、光學調製器等光學元(yuan)件发出高(gao)精度的光束，以實現對構成量子(zi)計算機的各個离(li)子的精確尋址和讀取操作，从而支撐整個离子阱量子(zi)計算系統的正常運行。
圖8：⾕歌(ge)超导(dao)量⼦處理器；來源：⾕歌
圖9：俘获离⼦量⼦計算(suan)機(ji)；资料來源：IonQ
圖10：俘获离⼦量⼦計算(suan)機(ji)；资料來源：聯合(he)量⼦研究所
圖11：霍尼(ni)韦爾的离⼦阱量⼦；资料來源：霍尼韦爾
圖12：被困(kun)离⼦量⼦計算(suan)機(ji)；资料來源：NIST
圖13：QPU（量⼦處(chu)理單元）；资料來源：⾥格(ge)蒂(di)
圖14：带有硅芯⽚的(de)镀⾦銅(tong)盘；资料來源：⾥格(ge)蒂(di)
圖15：49個量⼦位超导(dao)量⼦處理器Tangle Lake；资料來源：英(ying)特爾(er)
