量子计算机有多种可能的物理实施例。本常见问题解答将探讨其中的几种可能性。量子位，哈密顿量和退相干是讨论各种量子计算方法时需要的三个重要概念中国机械网okmao.com。请查看本系列中的第一个FAQ，以更详细地讨论“量子计算的基础是什么？”
量子计算始于量子位。经典数字位可以表示1或0，但不能一次表示两个。量子位是两级量子系统，其中两个基本量子位状态为|0⟩和|1⟩。|0⟩是量子状态的狄拉克符号，当通过测量将其转换为经典逻辑时，它将始终给出结果0，而|1⟩是将始终转换为1的状态。量子位可以处于状态|0⟩或|1⟩，或（与经典位不同）两种状态的线性组合。
传统上，两个位可以四种可能的配置（00、01、10和11）存在，但一次只能存在一种配置。另一方面，在量子计算机中，使用四个量子基态|00⟩，|01⟩，|10⟩和|11⟩的叠加，可以将所有四个可能性同时编码为两个量子位的状态。可以使用单个量子门执行该计算，同时对所有状态并行操作。
量子退相干是使用量子计算机时错误的主要来源。量子位与外部环境的任何相互作用以破坏其量子行为的方式都会导致退相干。在去相干干扰其功能之前，当今的量子计算机只能在简洁的时间段内运行（通常不到一秒钟，甚至好的设计也只能运行几秒钟）。
量子退相干时间：被气泡包围的球体代表一个量子态。环境破坏导致量子叠加消失。在这里，最终系统具有两个可区分的状态，分别由蓝色和黄色极表示，并且不再处于相干的量子叠加中。图片：NIST）
哈密顿量也是量子计算的重要方面。在量子力学中，系统的哈密顿量是对应于系统总能量的算符。它的频谱，系统的能量谱或其能量特征值集是通过测量系统的总能量可获得的一组可能的结果。
将问题编码为应用于量子位的哈密顿能量函数是实现量子计算的常用方法。通常，编码是结构化的，因此答案反映了哈密顿量的基态（最低能量状态）。这种方法会导致一系列“能量损失”，使错误的答案对应于较高的能量状态。相应哈密顿量的实现使得可以进行任何可能的量子计算。量子计算机可以通过几种方式进行分类，一种可能性是：
模拟量子计算机（包括量子退火炉，绝热量子计算机和直接量子模拟）。这些系统使用量子位的相干操作来操作，从而更改了哈密顿量的模拟值。它不使用量子门。
量子退火器通过在任意能级上初始化量子位并缓慢改变其能量直到哈密顿量定义给定问题的参数来进行操作。那时，量子位的状态可能与答案相对应。
绝热量子计算机通过将量子位初始化为起始哈密顿量的基态并缓慢改变哈密顿量的方式进行操作，从而使系统保持基态，直到哈密顿量定义问题的参数为止。与量子退火炉一样，量子位的状态可能对应于该点的答案。
量子退火器和绝热量子计算机面临的挑战是：改变系统的速度有多慢？对于当今量子相干性有限的量子计算机而言，可能无法实现足够慢的速度。与环境的交互可能会严重干扰该过程，从而使计算变得不可靠。
嘈杂的基于中型量子（NISQ）门的计算机，有时也称为数字NISQ。数字NISQ对一组量子位使用基于门的操作。这些系统不包括完全量子误差抑制。因此，需要将计算设计为在具有一些噪声的量子系统上执行，并以尽可能少的步骤完成，以使门误差和量子位的退相干不会掩盖结果。
完全错误校正的基于门的量子计算机。像NISQ一样，这些都是基于qubit的基于门的系统。尽管如此，这些系统仍然很复杂，并实施了量子误差校正，以消除系统噪声的负面影响（包括由不完善的控制信号或设备制造或量子位彼此之间或与环境造成的意外耦合所引入的误差）。这些系统使错误概率率的降低足以使计算机对于所有计算都是可靠的。完全错误校正的基于门的量子计算机有望扩展到数千个逻辑量子位，从而实现庞大的计算能力。
量子计算模型使用离散或连续数据编码和处理。图片：皇家学会）
基于门的量子计算机可以具有各种物理实现。但是，任何实现都必须满足DiVincenzo标准：
具有特征明确的量子位的可扩展物理系统
可以将量子位的状态初始化为简单的量子状态，并且可以以低可变性可靠地复制该量子状态
较长的相对退相干时间
一组“通用”量子门
特定于量子位的测量功能
模拟量子计算机除了第4项外，还需要上述所有条件，因为它们不使用门来表达其算法。但是，退相干在模拟量子计算中的作用与门模型中的作用截然不同。例如，在量子退火中可以容许一定程度的退相干，而量子退火才能成功需要一定程度的能量弛豫。量子计算机已使用模拟量子和数字NISQ设计实现。完全纠错的系统更具挑战性，并且仍在开发中。
错误率挑战
错误率和噪声是量子计算机存在的挑战。与量子计算机相比，传统计算机中不必要的能量（噪声）变化得到了不同的处理。差异源自经典位和量子位的不同特性。经典位为零或一；即使该值稍微偏小，也可以将信号与噪声分离，并确保无错误操作很容易。
但是，量子位可以是零的任何组合，并且一个与量子位或量子门不能轻易分离并抑制噪声。由噪声引起的小错误更容易使量子计算机的运行降级。结果，将量子计算机与所有噪声源隔离是一项重要的设计准则，而量子计算机最重要的设计参数之一就是其错误率。
与经典系统相比，量子系统（右）非常脆弱，仅一点点能量就可以改变当前状态并引起系统错误。图片：Researchgate）
可以通过在物理量子计算机上运行量子误差校正（QEC）算法来最大程度地降低qubit噪声敏感性的影响。没有QEC，复杂的量子程序不可能在量子计算机上正确运行。QEC会在复杂性方面进行权衡，以降低错误率。QES的实现需要大量的量子位才能形成称为“逻辑量子位”的稳定量子位结构。另外，使用“逻辑量子位”需要同样大量的原始量子位操作，才能有效地在量子计算机中使用逻辑量子位。
走向实用的量子计算机
虽然功能齐全的量子计算机在未来几年内仍会发展，但许多活跃的开发计划正在进行中，以缩短时间。正在进行量子计算机开发的示例包括英特尔和IBM。
Intel Labs的研究直接导致了Tangle Lake的开发，Tangle Lake是超导量子处理器，在俄勒冈州希尔斯伯勒的Intel 300毫米制造工厂制造的封装中集成了49量子比特。该设备代表了英特尔生产的第三代量子处理器，从其前身的17量子位向上扩展。
英特尔Tangle Lake 49量子位处理器。图片：英特尔）
在另一项开发活动中，英特尔正在努力完善自旋量子位，这些量子位基于由微波脉冲控制的硅中单个电子的自旋而起作用。与超导量子位相比，自旋量子位非常类似于在硅中运行的现有半导体组件，从而有可能利用现有的制造技术。此外，这一有前途的研究领域在以下领域也具有潜在的优势：
工作温度：自旋量子位需要极冷的工作条件，但其程度要比超导量子位低（与20毫摩尔相比大约为1开氏度）。
稳定性和持续时间：自旋量子位的相干性要比超导量子位长得多，这使得在处理器级别实现量子计算算法更加简单。
物理尺寸：十亿个自旋量子位远小于超导量子位，理论上可以容纳一平方毫米的空间。结合其与常规晶体管的结构相似性，自旋量子位的这种特性可能有助于将量子计算系统向上扩展到最终估计在生产系统中需要的数百万个量子位。
研究人员利用英特尔的300毫米工艺技术开发了自旋量子位制造流程，该工艺能够在硅中生产小型自旋量子位阵列。
IBM还在努力构建实用的量子计算机之前需要解决的问题。超导量子计算机必须处理隔离和访问量子位之间的悖论。要实现长的一致性，必须将量子位与环境隔离。但是，如果它们过于孤立，则无法访问量子计算过程的结果，从而使计算机无用。开发量子计算机的一个挑战性方面是实时读取高保真度的量子状态。
IBM已经转向一类特殊的低噪声微波放大器，即量子限制放大器（QLA），以应对这一挑战。QLA的性能需要改进，才能支持云中部署的下一代“大型”量子计算机。IBM正在努力提高QLA的读出保真度和速度，并增强其量子芯片的性能，以改善设备之间的协同作用并提高整体量子计算机的性能。关于“在混合系统中融合量子和经典计算”的下一个常见问题解答将更深入地探讨经典计算和量子计算之间的交集。
概括
量子计算是一个新兴的技术领域。当前正在研究多种可能的量子计算机体系结构，以识别针对特定用例的最佳量子计算机体系结构。最小化和校正错误是量子计算的主要挑战。开发具有成本效益且在技术上可行的量子位结构以及解决量子位的隔离和访问之间的矛盾。实用的大规模量子计算机仍是未来几年。