量子計算機是怎樣“攢”出來的？
“量子計算機”聽起來很神祕，它到底是個什麼結構呢？也會像咱們常用的 PC 機那樣，CPU、內存、顯卡、硬盤插在主板上裝進機箱裏嗎？答案是否定的。量子計算機的構建方式，跟傳統的“電腦”可謂大相徑庭，今天咱們就來看看量子計算機是怎麼“搭”出來的。
量子比特本質上是由物理世界的狀態構建而來的。根據所使用的物理狀態的來源不同，量子計算機的構建方法可以劃分爲兩大類：
第一類量子計算機基於微觀粒子，如離子、光子或原子，通過操縱和測量它們的量子態來計算。同類型的微觀粒子在物理性質上完全一致，這對多粒子量子干涉和糾纏的實現中具有重要作用。同時，這些粒子在良好隔離條件下能保持較高的量子態純度、較低誤差以及較長的相干時間（即量子態的保持時間）。然而，對這些粒子的精準操作在當前技術水平下難度仍然很大，且操作所需的時間通常較長。
第二類是基於人造結構的量子計算機，比如超導電路、量子點等，將人造結構的微觀狀態的宏觀體現作爲量子態。這類方法的優勢在於易於製造和操作，且可以藉助現代半導體技術進行擴展。
但人造材料的缺陷是一大挑戰。與天然粒子不同，每個人造結構都有細微差異，這種差異可能引入額外的噪聲或錯誤，影響量子態的穩定性。不過，相比微觀粒子，人造結構的量子比特更容易被測量和操控，在工程上更具可行性。
量子計算機的兩大類構建方法
目前，超導量子計算被認爲是最成熟和最有前景的方向之一，因爲它在操作速度和集成度方面表現優異，且技術發展相對迅速，因此我們接下來將重點以超導量子計算機爲例進行展開介紹。
超導量子比特的構建原理
具體到超導量子計算機，量子比特的狀態來源於其核心構件“約瑟夫森結”的“能級”。約瑟夫森結是由兩個超導體之間夾着一層納米級的絕緣體構成。而能級是物理系統可以擁有的能量值，其特點是離散的、固定的，系統的能量只能處於這些特定值之一，例如 E₀ 、 E₁ 等，而不能連續變化，這種現象是量子力學的基本特性之一。
最低的能級 E₀ 通常被稱爲“基態”，更高的能級（如 E₁）被稱爲“激發態”。量子比特的兩個基本狀態——| 0⟩和| 1⟩，分別對應於系統的基態 E₀和第一個激發態 E₁。
約瑟夫森結構造原理
通過向約瑟夫森結施加特定頻率的微波信號（微波是一種電磁波，可以傳輸能量。比如微波爐通過特定頻率的微波驅動食物中的水分子等極性分子快速旋轉和振動，使其相互作用產生熱量，從而加熱食物），可以向系統注入能量，使量子比特從較低的能級 E₀ 跳躍到較高的能級 E₁，或者通過釋放能量從 E₁ 返回到 E₀。
這種對能級躍遷的精確控制，是量子計算中實現基本邏輯操作的關鍵。更進一步，如果只施加一個“半脈衝”的微波信號——即沒有完全驅動量子比特從 E₀ 跳到 E₁，那麼量子比特就會處於 E₀ 與 E₁ 的疊加態。
總結來說，我們可以通過調節微波的頻率、強度和持續時間，精確控制量子比特的狀態。
超導量子比特的能級躍遷與控制
由於超導量子比特的能級之間的能量差極其微小，因此量子態對外界環境的擾動極爲敏感。哪怕是極輕微的熱噪聲、電磁波或輻射干擾，都可能導致量子態的退相干（即量子態被破壞），從而使量子比特無法正常工作。
爲了降低這些干擾，超導量子計算機必須運行在接近絕對零度的極低溫環境下（約 10 毫開爾文，比絕對零度-273.15 攝氏度只高出 0.01 度，已經是人類能實現的最低持續溫度），並在連接線路中使用特殊材料和精心設計的屏蔽、濾波與衰減措施，以儘可能保持能級穩定和操控精度。
從單比特到超導量子計算的“體系結構”
要構建一臺可實際運行的超導量子計算機，不僅需要量子比特本身，還必須有完整的支撐系統：製冷和屏蔽系統用於保護量子態，控制系統用於操控量子比特，糾錯系統用於實時糾正量子系統中的錯誤。在這些系統中，糾錯系統尤爲關鍵。這是因爲量子計算的可靠性面臨兩個根本性挑戰：
· 相干時間不足：即量子比特能夠保持疊加態和糾纏等量子特性不被環境破壞的時長，因此要用量子比特執行計算，量子比特的相干時間必須長於計算所需的時間。製冷、屏蔽等措施雖然能延長相干時間，但對於複雜運算仍難以滿足需求。
· 門保真度不足：量子門不是像經典比特那種固定的門電路，而是通過外部控制信號實時操控來實現，量子門操作的實際效果與理想效果的接近程度即爲門保真度。然而，即使單個門操作的保真度很高（如99.9%），在執行成千上萬次操作後，誤差仍會不斷累積，最終破壞計算結果。
接下來，我們會詳細介紹超導量子計算機的每一個核心組成部分。
量子芯片
採用傳統半導體工藝在硅片上製作出約瑟夫森結，形成量子比特，並通過封裝引出用於控制和測量的接口。下面就是一個擁有 20 個超導量子比特的量子芯片（又稱量子處理器）示意圖，可以看到每個量子比特都需要引出多根線纜（比如控制線、讀出線），同時量子比特與比特之間還需要有耦合器（類似於開關）互聯。
製冷系統
利用稀釋製冷機（一種利用氦‑3/氦‑4 混合物實現超低溫的降溫設備，目前是人類能夠持續運行並達到最低溫度的製冷裝置，可將溫度降至約 10 毫開爾文甚至更低）將量子芯片及其連接線降溫至接近絕對零度，同時配置衰減器、濾波器來“淨化”控制信號，配置屏蔽裝置屏蔽外部噪聲，以儘量消除外部噪聲干擾。
IBM Q 量子計算機的製冷系統結構
圖中展示的是 IBM Q 量子計算機的製冷系統結構。整個結構會被放置到稀釋製冷機中，可以看到，其中包含用於控制和讀取量子比特的微波導線；輸入信號經過多級衰減器以降低噪聲，輸出信號則通過低噪聲放大器放大；同時配備多層屏蔽裝置以隔絕外部輻射，並使用經過精心選擇材質的同軸電纜以保證在低溫下的可靠傳輸並最小化熱負載。從系統頂部到底部，溫度逐級降低：最上層爲室溫區，最底層則可達到約 10 毫開爾文的極低溫環境，爲量子比特的穩定運行提供條件。
量子比特控制系統
將經典計算機發出量子操作的指令轉化爲高精度微波脈衝，用於驅動、操控與讀出量子比特，通常包含微波發生器、混頻器、放大器和隔離器等器件。
在上面的示意圖中，量子比特控制系統接收來自經典計算機的數字控制信號，通過一系列精密的微波器件，將其轉換爲能夠精確操控量子比特的微波脈衝。系統的核心在於保持極高的信號純度和時序精度，確保量子態的精確操控。將經典數字信號轉化爲高精度微波脈衝，用於驅動、操控與讀出量子比特。
量子糾錯系統
通過冗餘編碼和實時反饋，檢測並修正量子計算過程中因退相干和噪聲產生的錯誤，從而延長相干時間和提升門保真度。例如，目前最爲常用的表面碼糾錯方案通過把一個邏輯量子比特編碼到一個二維量子比特陣列中，通過不斷測量鄰近比特之間的關聯來發現並修正錯誤，從而在硬件誤差率低於閾值的情況下延長邏輯比特的壽命。
如下圖所示，量子糾錯系統是一個經典-量子混合系統，整個糾錯環路必須實時完成糾錯，糾錯時間要遠小於退相干時間。FPGA 的低延遲處理和 CPU/GPU 的強大算力相結合，配合精確的時序同步，確保在量子信息丟失前完成錯誤修正。
從下圖中，我們可以大致瞭解量子計算機的整體架構。
IBM Q 量子計算機架構圖，我們可以在圖中找到我們所述的組成部分
量子計算機的構建既是一門物理學，也是一門工程學。粒子型方案在物理層面更純淨，但工程實現困難；人造結構型方案（尤其是超導量子比特）在工程上更具可擴展性，但需克服噪聲與退相干問題。一臺完整的超導量子計算機，實質上是量子芯片 + 稀釋製冷機 + 控制電子學 + 量子糾錯系統的複雜組合。它既是物理實驗裝置，也是高度工程化的系統。正是因爲具備這種“從物理到系統”的完整鏈路，超導量子計算機才成爲當前最有希望率先跨越實用門檻的方案。
策劃製作
本文爲科普中國·創作培育計劃扶持作品
出品丨中國科協科普部
監製丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
作者丨李冠成騰訊玄武實驗室
審覈丨欒春陽 國防科技大學理學院
策劃丨張林林
責編丨丁崝
審校丨徐來、張林林
