量子计算系统的现状
光子盒研究院出品
电子数字积分计算机（ENIAC）是第二次世界大战的产物。人们普遍认为它开启了现代计算时代，虽然它的最初目的是为了优化计算，并打算作为二战的导弹弹道计算器。
这台30吨重的计算机耗电量160千瓦，占地超过1,800平方英尺（167平方米），并包含17,000多个真空管。它可以每秒执行5,000次加法、357次乘法或38次除法，这在当时是前所未有的壮举。然而，它真正的优势和创新之处在于它是第一台可编程计算机，并且可以在其使用初衷之外另有他用。
可编程环境为不同领域的创新者打开了利用底层计算结构的大门。从真空管晶体管的发明到ENIAC的建成，大约花了50年的时间；不过，可编程系统的实现为人类登上月球打开了大门，为无数的医疗技术和工艺打开了大门，为疫苗开发提供了前所未有的周转时间。
ENIAC是第一台可编程的通用数字计算机
量子计算“系统”仍处在开发中，因此整个系统的范式也处在不断变化之中。虽然国家和公司之间的量子霸权竞赛正在加速，但这种“竞争”仍处于非常早期的阶段。
目前只有少数几个潜在的量子比特技术被认为是可行的，编程环境处于萌芽阶段，抽象尚未完全开发，科学家和从业者已知的量子算法相对较少（尽管非常令人兴奋）。挑战的一部分在于，在经典计算机上模拟量子应用和技术非常困难且几乎不切实际。因为如果经典计算机能够完成这种模拟任务，也就意味着经典计算机本身的性能是优于量子计算机的。
尽管如此，各国政府仍在向这一领域投入大量资金，以帮助推动人类进入计算机的下一个大时代。在过去的十年中，量子比特技术、量子电路和编译技术取得了令人印象深刻的进步，这些进步导致了更多（良性）竞争以实现成熟的量子计算机。
在本文中，我们将重点关注量子计算堆栈，探索量子比特技术的最新发展、如何对它们进行编程计算，以及该领域的挑战和待解决的问题。
经典计算与量子计算在不同方面的根本区别包括：
1）量子比特不是二进制的：它们是0和1值的叠加，因此比经典数字比特编码更具表现力。
2）量子比特表现出一种纠缠的特性。这意味着两个(或更多)量子本质上是相互关联的。爱因斯坦将其定义为“幽灵般的超距作用”。
3）量子比特会随着时间的推移而退相干。换句话说，保持量子比特的价值是实现未来容错（FT）量子系统的根本挑战。
那么，哪些类型的技术可以真正利用这些特性？
为量子计算机设计量子比特并非易事。量子系统需要对粒子进行非常严格的隔离，以及将复杂物理系统操纵到前所未有的精确度的能力。
近年来出现了一些相互竞争的技术，主要包括俘获离子量子比特、超导量子比特、半导体自旋量子比特、线性光学和马约拉纳（拓扑）量子比特。量子比特设计的一般理念可以概括为以下几点（DiVincenzo标准）：
1）用于可扩展系统的表征良好的量子比特
2）能够初始化的量子比特(用于计算)
3）量子比特的稳定性（即长退相干时间）
4）支持用于任意计算的通用指令集
5）测量量子比特的能力（即计算基础上读出）
有趣的是，这些目标相互矛盾。具体来说，在量子比特上初始化和执行计算都需要系统上的交互，这将本质上打破使量子比特稳定所需的隔离环境。这就是为什么构建量子计算机从根本上是非常困难的一个原因。
1)在左侧，由微波谐振器连接的超导量子比特（IBM Research）；2)在右侧，通过激光介导的相互作用连接的俘获离子的线性链
尽管如此，在NISQ（含噪声中等规模量子）时代中最有希望的两个候选者分别是，俘获离子量子比特和超导量子比特。
俘获离子量子比特
俘获离子量子比特在原子上运行。由于这样的量子比特可以利用原子离子的特性，它可以通过原子的内部能级来利用量子力学特性。常见的可用离子包括了钙离子、钡离子、镱离子，以及许多其他离子。
从概念上讲，这个想法是指定离子的两个原子能级，并将它们表示为0和1能级。两个能级的选择决定了如何控制量子比特：能级之间的大间隔（例如，10^15赫兹，大约是光的频率）意味着使用激光束来激发离子并将它们从一种状态移动到另一种状态。这些被称为光学量子比特。
另一方面，超精细量子比特具有较小的能量分离（大约1010赫兹）。后一种类型属于微波频率，因此可以通过微波脉冲进行控制。微波控制的单量子比特门的优点是错误率较低（10-6），同时缺点是波长大，难以聚焦单个离子。
如何稳定离子并将其用于计算？顾名思义，你需要“俘获它”以将其固定在适当的位置以控制它。这可以通过以特定方式（射频Paul离子阱）施加电磁场以将离子固定在鞍点来实现。离子一旦“被俘获”，就需要进行物理冷却以减少振动和退相干。正如你可能想象的那样，这样的设置需要许多组件，包括激光器、控制电子设备、用于冷却的液氦，以及操作过程的极高精度。
俘获离子量子比特最近得到了相当大的关注。IonQ(马里兰大学的分拆公司)于2021年10月1日在纽约证券交易所上市。虽然离子阱的理论基础从1995年就有了，但直到最近才真正开始实施。
此外，它们较低错误率提供了一项引人注目的技术，可以在NISQ时代成为未来的量子比特。虽然这一切都是有希望的，但是俘获离子量子比特确实有一些缺点，其中最大的缺点是它们比超导量子比特慢。这个特性对于解释系统中产生的实时错误可能很重要。此外，单个阱中可以容纳多少离子并进行相互作用是有限制的。但所有这一切并没有减损离子阱量子的前景。
超导量子比特
与俘获离子量子比特不同，超导量子比特是通过光刻印制电路元件实现的。本质上，这些是具有所需量子力学特性的“人造原子”。在俘获离子量子比特技术最近兴起之前，超导量子比特已经引起了工业界的广泛关注，因为它更接近于现有的集成电路技术。
超导量子比特围绕着一个称为约瑟夫森结（Josephson junction）的电路元件旋转，约瑟夫森结本质上是两个超导体之间的绝缘体。在临界温度以下，超导体电阻降到零，形成一对被称为库珀对的电子。
经典电子的自旋为±½(称为费米子)，而库珀对的自旋为0(玻色子)。在约瑟夫森结中，库珀对可以产生量子隧穿，并产生制造量子比特所需的离散能级。经过结隧穿的库珀对的数量与量子态有关。有多种类型的超导量子比特，包括电荷量子比特、通量量子比特和相位量子比特，它们的电路设计、操作和实现、控制和测量量子比特的操作和物理机制各不相同。
超导量子比特为各种技术打开了大门，包括基于硅的自旋量子比特。并且超导量子比特比俘获离子量子有更长时间的工业支持。在这一点上，技术领域还没有明显的胜利者，每种技术都有自己的优势，有不同的支持者。与此同时，基本限制将有助于推动更多的创新，以确定未来量子计算系统的理想量子比特。
根据量子比特技术，量子逻辑门（或更准确地说，量子比特操作或量子指令）需要不同的物理操作来处理信息。量子门基本上是由酉（幺正）矩阵表示的逻辑变换。
经典计算在布尔代数定律下运行，但量子计算在线性代数规则下运行。因此，一个转换或门在本质上是将量子比特状态更改为另一种状态的操作，可以根据其0和1值的叠加来解释。
来源：Gideon Wolfe
量子门的一个独特之处（有时让人难以理解）是它不同于冯·诺依曼架构的经典概念。约翰·冯·诺依曼是20世纪40年代参与曼哈顿项目的计算机架构师，当时他听说了ENIAC的研制。通过引入存储程序设计的概念，他想出了一种使ENIAC更快的方法。在现代术语中，这实际上意味着将内存（例如，存储程序的位置）与计算单元（处理信息的位置）分开。从人类的角度来看，这种分离有助于提高机器的生产力——调试时间可以转移到编写更好的程序上面，计算机架构师可以专注于改进每个内存和计算结构以获得更好的性能。
然而，量子架构并非这么简单的分离，因为“计算”是通过量子比特“内存”上的物理转换发生的，并且从根本上与技术连接在一起。虽然这对于经典的计算机程序员来说似乎有点陌生，但它确实带来了一个独特的好处：量子计算机可以极大地利用可逆计算。
可逆操作是转换函数将旧的计算状态映射到新的计算状态的操作，是一对一的函数形式。换句话说，知道输出逻辑状态就确定了计算操作输入逻辑的唯一状态。例如，非门（NOT）是一个可逆函数，在一个量子门(或量子逻辑门)上运行。通过扩展，受控非门（CNOT）使用两个逻辑比特或量子比特，其中第二个比特控制非门翻转的方式或时间。打个比方，受控非门可以被认为是一个可逆的异或门（XOR）。再添加一个控制比特或量子比特会引入“控-控-非”门（CCNOT）即Toffoli门，你可以在其中控制进入受控非门的控制比特。
这对量子计算有何用处和关联？Toffoli门是一种通用可逆计算，这意味着你可以仅使用它来实现任何（可能是不可逆的）布尔逻辑电路。在冯·诺依曼计算设计中，这类似于与非门（或非与），我们今天可以使用它对计算机进行编程以执行几乎任何计算（并且非常快速地执行数百万个计算）。
常见的量子逻辑门名称。来源：维基百科
但为什么要停留在可逆计算上呢？量子门的另一个重要元素是它们与随机计算的关联。许多经典算法利用随机化，因为自然界的行为是不可预测的，并且（在一定程度上）具有统计意义。量子计算已经融入了这一点，因为随机性是与叠加密切相关的基本属性。
换句话说，在测量量子系统时，你需要进行许多计算（由于原子特性，所有这些计算都具有固有的随机性），并且你的输出是你为捕捉结果而制作的样本的概率分布。虽然它看起来像是一种新的计算模型，但它实际上更接近自然世界的基本性质，因为世界上很少有事情是确定的（除了死亡和税收）。
其他流行的量子门还有Hadamard门、受控Hadamard门、Pauli（泡利门）、SWAP（交换门）、受控SWAP门等。虽然这些对于各种算法很重要，但主要的收获是这些门本质上都是线性代数运算，可用于转换量子比特的状态以进行所需的计算。
到目前为止，在描述量子计算系统时，我们一直都在“往上走”：量子物理特性可以通过量子比特来获得，而量子比特又可以用各种逻辑门操作以进行信息处理，其高级目标是实现量子算法。高级量子算法和低级量子硬件之间的连接需要量子编译器的实现。量子编译器是对程序的量子中间表示(QIR)进行的一系列转换和优化。
让我们来解释一下这个术语。
在经典意义上，编译器是一种软件，其任务是将高级编程语言（例如C++、Python等）转换为机器定义的指令集架构或ISA指令集架构（例如x86、ARM、 Power、RISC-V等），指令集架构构成了程序员和机器之间的契约，允许用户编写代码，然后编译器“翻译”这些代码以供机器理解。然后机器使用编译的“配方”执行指令以在机器上执行程序。
量子计算机的指令集就是上面描述的门：CNOT门、Hadamard门、“Clifford+T”门以及其他对量子比特的操作。然而，量子编译器的工作比将高级语言（例如cQASM、Quil和Q#）“翻译”成一系列门更复杂。它还必须考虑底层计算的量子物理学。
例如，量子比特可以纠缠，因此它们的相互作用需要相应地安排。量子也会随着时间退相干；因此，你需要一个最佳配置来减少（并考虑）操作的噪声性质。量子比特之间的交互也可能受到底层技术的限制：并非所有量子比特都可以在物理上相互交互，因此编译器在实现算法时需要了解硬件约束。
如果这对量子编译器来说还不够，那么一种称为量子隐形传态的非常显著的现象会进一步增加复杂性。量子隐形传态利用纠缠在“遥远”的量子比特之间传输信息。虽然看似牵强，但此功能可以通过调度帮助降低通信成本，但当然，它需要由系统进行适当的管理。
如果这一切无法一下子理解，这也是很正常的。量子编译正是因为其复杂性而成为一个热门研究领域。虽然经典计算机系统的设计具有很好的抽象性，可以在计算堆栈的不同级别进行创新，但量子计算“系统”仍在不断变化。
引用芝加哥大学的Yongshan Ding博士和Fred Chong博士话说，“在NISQ设备上成功执行量子算法的关键是在堆栈的各个层之间选择性地共享信息，这样程序就可以最有效地使用有限的量子比特。”量子编译旨在为我们做到这一点；但是，它本身仍处于起步阶段。
今天，量子计算在很大程度上是容错和噪声缓解的代名词——它的名字非常直白：含噪声中等规模量子计算机(NISQ)。
系统中的大多数量子比特都被用来抵消量子系统的退相干，对计算错误进行物理补偿和算法补偿。
用来测量一个量子态能持续多久的主要指标叫做相干时间。作为参考，现代相干时间是以分钟到大约一小时的量级进行测量。想象一下，如果当前处理器中的每个比特每小时随机地翻转一次它的值……那么完成任何（有用的）事情将是非常不切实际的！
也就是说，考虑到一个量子比特的处理能力，你实际上可以在这样一个时间框架内执行许多计算(即量子比特转换)，但执行表现出量子霸权的长期运行算法就不太可行了。
如今，在计算过程中缓解量子比特自然退相干的常用技术之一是使用冗余，就像经典系统一样。具体来说，量子纠错(QECC)本质上反映了现代的错误检查和纠正技术（ECC），其中额外的（量子）比特用于检测错误是否发生并纠正它。
一种常见的量子纠错码是9比特Shor码，其中1个逻辑量子比特使用9个物理量子比特进行编码，可以纠正单个量子比特中的任意错误。换句话说，对于系统中每个进行“有用”计算的比特，你需要额外的8个才能确保它正常运行。
QECC并不是解决量子系统故障的唯一方法。另一种方法是随机编译。这个想法是将随机门插入量子电路，并对许多独立采样的随机电路进行平均化。虽然噪声对单个电路的影响可能不同，但多个随机电路上的预期噪声被调整为随机形式。本质上，你可以使用巧妙的数学方法进行补偿，同时将错误直接纳入计算中。
量子编译器还可以执行各种映射智能来解决错误，例如在硬件电路转换期间最小化量子比特之间的串扰，重新校准系统错误率和重新映射量子比特，以及在退相干到来之前，最小化电路长度以“加速”计算。
所有这些技术的存在都是因为量子硬件的不精确控制和状态的自然退相干。虽然这些技术中有许多是特定于NISQ时代的，但有一个主要目标是更好地理解错误并在量子计算机的最终容错(FT)时代减轻错误。
许多人认为，容错时代是许多应用可以真正实现量子霸权的时代。
我们在量子计算机的发展方面取得了长足的进步，许多公司和研究机构在全面捕捉宇宙量子的特性方面不断挑战极限。许多基础理论现在正在实施，但完整的量子“系统”仍在积极研发中。
相互竞争的量子比特技术、嘈杂的系统和退相干以及令人难以置信的“全能”编译器仍然是量子霸权竞赛的挑战。此外，我们目前正在经历的NISQ时代和未来的FT时代可能看起来大不相同。现代计算“堆栈”仍处于早期开发阶段，许多新兴和令人兴奋的量子技术肯定会在不久的将来出现。
虽然量子计算目前还没有席卷世界，但人们可以想象拥有量子计算机的好处和后果。虽然量子力学的基础已有近一个世纪的历史，但研究人员和从业者现在开始才开始切实地设计这些系统，并解决许多有趣的研究和工程挑战。随着许多参与者现在投入到量子竞赛中，系统中的量子比特数量几乎每隔一天就增加一次，真正的容错(FT)系统成为现实只是时间问题。
参考链接：
https://www.techspot.com/article/2361-state-of-quantum-computing-systems/