量子硬體總覽

作者:
林昱誠(Yu-Cheng Lin)
閱讀時間:
5
分鐘
# 量子硬體總覽 要理解量子電腦的硬體原理並非易事,牽涉到許多量子光學理論,而且實現量子電腦的方式有很多種,需要學習的物理知識將要更多,相比入門量子計算,入門量子電腦硬體原理的門檻高很多,即便如此,不同類型的量子電腦仍有共通點,掌握這些共通點,入門各種種類的量子電腦將會顯得容易一些,這便是「[量子電腦硬體總論](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/courses/hardware-general)」這系列的目的。 ## 量子電腦的實現方式 [實現量子電腦](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/popular-06)的方式有很多種,如下圖所示,大致可以分類成基於原子能階、spin(自旋)、光子和 anyon(任意子)
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實現量子電腦的方式
Picture come from doi:10.1088/1674-1056/abd762

基於原子能階的有超導量子電腦(人造原子)、離子和中性原子(自然原子),基於 spin 的有量子點(電子自旋)、鑽石空缺(電子自旋)和 NMR(核磁共振,原子核自旋),基於光子的有光量子電腦,最後基於 anyon 的為 topological QC。 基本上,只有光量子電腦、 NMR 和鑽石空缺能在室溫下操作(不過 NMR 有超導磁鐵,所以機身還是要在 10K 下),原子與離子雖然是在室溫下操作,但以原子(或離子)振動來說,溫度差不多落在 10K,其餘像是量子點、超導量子電腦與 topological QC 都需要在接近 0K 的環境下,因而都必須使用現在熱門的稀釋性製冷機。
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各種量子電腦的操作溫度
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## 量子電腦的架構 量子電腦的架構有詳細的定義,可以參看 [DiVincenzo criteria](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-01),先不在這裡做介紹。下圖是離子阱量子電腦的架構示意圖,可以看出一個量子電腦是如何在實際物理系統上實現。
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離子阱量子電腦架構示意圖
Picture come from doi:10.1038/s41578-021-00292-1

首先,量子電腦一定要有良好特徵的 qubit(上圖中左邊的球),良好特徵的意思就是這 qubit 需要是 [two level system](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-02)(TLS),即有兩個狀態,能量較低的狀態作為 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$,不過現實中沒有完美的 TLS,一定是有很多能階(像是原子),所以要從這麼多能階中挑出兩個能階最為計算用的 0 與 1。 有了一個 TLS 後就能實現單量子邏輯閘,在量子電腦中實現量子邏輯閘均是(除了光子與 topological)施加一道電磁波影響 qubit 的能階(圖中的紅色),以原子和離子為例,就是用雷射影響電子處在哪一個能階,而常用於控制 qubit 的方法有 [Rabi oscillation](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-04) (拉比震盪)與 [adiabetic passage](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-06)(絕熱通道),這將在這系列中做入門介紹。 如果要實現雙量子邏輯閘,像是 CNOT 與 SWAP,就有些麻煩。要有個神秘的力量在兩個 qubit 之間做影響(圖中的綠色曲線),當其中一個 qubit 的狀態改變,能夠過這神秘的力量影響到另一個 qubit,這神秘的力量稱作 "coupling"(耦合)。 Coupling 會視選定的物理系統而有所不同,像是離子的便是庫倫排斥力,因此在這系列中不會做介紹。 最後就是測量,常見的測量方法也是打一道電磁波(圖中的藍色光線)去影響 qubit,從電磁波的改變或是 qubit 的改變來判斷 qubit 是 0 還是 1,這部分原理上解釋起來較容易,測量方法也會視選定的物理系統而有所不同,因此也不會在這系列中做介紹。 做出了量子電腦後,要怎麼知道這台量子電腦的表現如何,相比其他量子電腦的表現如何?
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各種量子電腦的效能比較(截自 2022)
Picture come from arXiv:2203.17181

影響量子電腦表現的因素有很多,諸如 qubit 數、量子邏輯閘的 [fidelity](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-08)(保真度)、[coherence time](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-09)(相干時間,包括 $T_1$ 與 $T_2$)、connectivity 與 parallelism 等等,如何將以上因素綜合做評分,評斷出「A 量子電腦比 B 量子電腦好」的結論,我們需要有一個可以[綜合評分](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-11)的方法,這都將在這系列做介紹。

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