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通用型量子計算機的開發之路雖然艱難，但并非不可能。
經典魔方擁有43252003274489856000種可能的組合。大家可能會好奇，人類是如何将這樣一個經過加擾的多元資料集恢複至初始狀态，即每側僅排布同一種顔色的。更誇張的是，有些人在看過一遍打亂後的狀态後，蒙上眼睛也能把魔方快速複原。之是以可行，是因為魔方的排列背後存在一套基本規則，是以操作者總是能夠在20步或者更少的操作量之内将其還原至初始狀态。
控制量子計算機，在原理上有點像蒙住眼睛破解魔方：初始狀态一目了然，而且基本元素（量子比特）也是明确且有限的，可以通過一且簡單的規則進行操作及表達（表示量子态的旋轉向量）。但問題在于，操作過程中一旦行觀察，就會給系統的運轉結果造成嚴重影響：如果檢視過早，則計算将受到幹擾。換言之，我們隻能檢視計算給出的最終狀态。
量子計算機的強大之處在于，這套系統可能同時處于多種組合狀态當中。不少專家認為這種特性意味着量子計算機根本不可能被創造出來——即使被創造出來，也無法有效操控。他們的理由也明确，描述狀态組合所需要的參數實在太多。沒錯，控制量子計算機并確定其狀态不受各類錯誤源幹擾本身，确實是一項極為困難的工程學挑戰。但是，真正的難點并不在于複雜的量子态，而更多展現在保證基礎控制信号集正常起産方面——如果保證不了這一點，我們根本無法驗證量子比特的行為是否與預期相符。
如果工程師們能夠找出答案，那麼量子計算機終有一天會解決目前經典計算機搞不定的難題，包括破解傳統意義上無法破解的密碼、加快新藥的發現、改善機器學習系統并解決極為複雜的物流優化問題等等。
人們的期望高漲，科技企業與各國政府也将數十億美元砸向量子計算機研究領域。但這仍是一場賭博，因為成就這一切巨大潛力的量子力學效應，同時也導緻這類裝置極為敏感且難以控制。
但結果必然如此嗎？經典超級計算機與量子計算機之間的核心差異，在于後者會利用某些量子力學效應以反直覺的方式進行資料操控。這裡我們隻能簡單聊聊純技術内容，但相信這樣的表述應該足夠幫助大家了解量子計算機在工程設計層面的難度，以及克服這些障礙的某些可行政策。
傳統經典計算機面對的是二進制比特，每一位必須為0或1；量子計算機面對的則是qubits，即量子比特。與經典比特不同，量子比特可利用疊加态這一量子力學效應，使得單一量子比特同時處于0與1的疊加狀态。在描述某個量子比特的狀态時，我們實際上是在描述其處于1與0所對應的機率系數——這将是一個複數，由實部與虛部共同構成。
經典超級計算機與量子計算機之間的核心差異，在于後者會利用某些量子力學效應以反直覺的方式進行資料操控。
在一台多量子比特計算機當中，我們可以通過非常特殊的方式建立量子比特，確定某一量子比特的狀态無法以脫離另一量子比特狀态的前提下進行描述。這種現象被稱為糾纏态——多個量子比特的糾纏态，要比單一量子比特的狀态更加複雜。
二比特經典二進制組合隻能表達00、01、10及11這四種狀态，但兩個互相糾纏的量子比特卻能夠處于這四種基礎狀态的疊加态中。換言之，兩個互相糾纏的量子比特可能包含一定的00度、一定的01度、一定的10度以及一定的11度。三個量子比特互相糾纏将代表八種基本狀态的疊加。
是以，n個量子比特将處于2n個狀态的疊加态。在對這n個互相糾纏的量子比特執行操作時，将等同于同時處理2n位資訊。
我們對量子比特執行的操作，類似于旋轉魔方。但最大的差別在于，量子旋轉永遠不可能完美。由于信号品質控制能力的限制以及量子比特極高的敏感度，我們對量子比特旋轉90度的操作很可能最終帶來了90.1或者89.9度的結果。這樣的錯誤看似不大，但其影響會快速疊加起來，最終輸出完全錯誤的結果。
提高實作門檻的另一個因素是退相幹：量子比特會逐漸失去其承載的資訊，即脫離糾纏态。引發這種情況的原因，在于量子比特與環境之間存在一定程度的互相作用，即使存儲量子比特的實體基質經過精心設計、高度隔離，仍無法徹底消除這種作用。雖然我們可以使用所謂量子誤差校正來補償誤差控制與退相幹造成的影響，但這同時要求我們引入更多實體量子比特，而它們同樣需要受到相應的校正保護。
不過一旦克服了上述技術難題，量子計算機将在某些特殊類型的計算中發揮出無可比拟的價值。在量子算法執行完畢後，裝置将測量其最終狀态，并在理論上解決衆多經典計算機無法在合理時間内解決的數學問題。
那麼，我們要如何設計一台量子計算機？在工程層面，目前的最佳作法是将機器的主要功能拆分成多個包含相似性質或者所需性能的子功能組。這些功能組能夠更輕松地與硬體映射起來。我和我的同僚們發現，量子計算機所需要的功能可以天然劃分為五類，即概念意義上的五種控制層。IBM、谷歌、英特爾以及其他各類企業機構的研究人員都在遵循類似的政策。當然，這隻是可能性較高的一種，目前還存在其他一些量子計算機建構方法。
下面，我們來具體了解這塊五層“大蛋糕”。首先從最頂層起步，民就是硬體内部結構中位置最高的抽象層。
最重要的部分自然是頂部的應用層，它并不是量子計算機的實體組成部分，但在整個系統中扮演着核心角色。它代表着組成相關算法所需要的全部要素：程式設計環境、量子計算機作業系統、使用者界面等等。由這一層構成的算法可以是純量子形式，也可以是經典計算加量子計算的混合體。應用層應該獨立于其下各層中使用的硬體類型之外。
Cake分層大蛋糕: 實用型量子計算機的全部元件可以分為五個部分，每一部分負責執行不同類型的處理任務。
應用層下方的是經典處理層，其具備三項基本功能。首先，它負責優化目前運作中的量子算法，将算法編譯為微指令。整個過程與傳統計算機中的CPU執行方式類似，CPU需要将每條待執行的機器代碼指令編譯為多條微指令。另外，該層還将處理以下各層内硬體傳回的量子态測量結果，将這些結果回報至經典算法中以産生最終結果。最後，經典處理層還負責為以下各層提供必要的校準與調整。
經典層下方為數字、模拟與量子處理層，它們共同構成一個量子處理單元（QPU）。QPU 這三層之間緊密相連，每層的具體設計都在很大程度上取決于另外兩層。接下來，我将更全面地自上而下描述構成QPU的這三個層。
數字處理層負責将微指令轉換為脈沖，即操作量子比特所需要的信号類型，進而将量子比特轉換為量子邏輯門。更準确地說，此層提供了模拟脈沖所對應的數字定義。模拟脈沖本身在QPU的模拟處理層内生成。數字層還負責将量子計算的測量結果回報至上方的經典處理層，確定後者将量子解與經典計算結果整合起來。
目前，個人計算機或現場可編輯門陣列已經足以應對這些任務。但在對量子計算機進行量子糾錯時，數字處理層會變得更加複雜。
接下來是模拟處理層，負責建立發送至量子比特的各種信号。這些信号主要表現為電壓階躍、微波脈沖的掃描與猝發等，其經過調相與調幅以保證正确執行必要的量子比特操作。這些操作直接指向互相連接配接為量子邏輯門的量子比特，而量子邏輯門又将進一步互相協同，根據目前運作的特定量子算法執行整體計算。
雖然從技術角度看，生成這樣的信号并不是非常困難，但在管理量子計算機内的實際信号時，我們仍要面對不少障礙。一方面，發送至不同量子比特的信号需要在皮秒級時間尺度上保持同步。我們必須以某種方式将這些不同信号傳遞至對應的不同量子比特，確定它們正确執行不同操作。這事聽着困難，做起來更困難。
分而治之: 在實用型量子計算機中，由于量子比特太多，我們無法獨立将信号線附加至每個量子比特上。相反，我們隻能使用空間與頻率的複用組合。量子比特将被成組制造出來，并附加至同一條公共信号線上，其中每個量子比特被調整為僅響應一種信号頻率（圖中顯示為不同顔色）。
以此為基礎，計算機即可生成特定頻率的脈沖并通過模拟交換網絡将脈沖僅發送至特定量子比特組，進而操縱量子比特中的目标子集。
在目前隻包含幾十個量子比特的小型系統當中，每個量子比特都被調諧至不同頻率——大家可以将其了解為鎖定在某一頻道上的無線電接收機。我們在公共信号線上通過特殊頻率標明要建起的量子比特。雖然可行，但這種方式擴充性較差。可以想見，發送至量子比特的信号必須具備合理的帶寬，例如10兆赫。如果計算機内包含100萬個量子比特，那麼這樣的信号系統将需要10太赫的帶寬，這顯然不可能實作。此外，我們也不可能建立100萬條單獨的信号線，用來直接将每信信号單獨發送至每一個量子比特。
可行的解決方案，可能需要将頻率與空間整理成複用組合。量子比特将被成組制造出來，各個組全部接入模拟通信網絡，該網絡負責将模拟層中生成的信号單純接入標明的組子集處。隻要正确安排信号頻率與網絡連接配接，我們就能夠操縱單一或者一組目标量子比特，同時保證不影響其他量子比特。
雖然在理論上可行，但這種多路複用結構也有其代價：控制精度不足。如何解決這種精度不足問題，目前仍有待商榷。
在現有系統中，數字與模拟處理層主要運作在室溫環境下。但下方的量子處理層（儲存量子比特的層）則需要運作在絕對零度條件當中。不過随着未來系統中量子比特數量的持續增長，建構這三個層的電子裝置必須內建到同一塊經過封裝的低溫晶片内。
部分企業目前正着手建構基于超導量子比特的所謂預原型系統。這類裝置最多包含幾十個量子比特，能夠執行數十至數百項相幹量子操作。遵循這一思路的企業包括科技巨頭谷歌、IBM以及英特爾。通過擴充控制線的數量，工程師們能夠将現有架構擴充至數百量子比特，但也就僅此而已。量子比特之間保持相幹性的時間很短（目前大約為50微秒），系統必須在退相幹發生之前盡可能多地執行量子指令。
考慮到這些限制，預計未來一段時間，這類包含數百個量子比特的系統将主要作為正常超級計算機的加速器方案。量子計算機在處理特定任務時速度更快，能夠将結果傳回給超級計算機以供進一步處理。從某種意義上講，這樣的量子計算機類似于筆記本電腦中的GPU，專門用于完成矩陣求逆或者初始條件優化等CPU不太适合處理的任務。
在量子計算機的下一發展階段，應用層的建構将越來越輕松。數字處理層同樣相對簡單。但是，建構QPU的三個層才是真正的核心難題，現有制造技術也無法産生完全一緻的量子比特。是以，不同的量子比特之間必然存在略有差異的屬性。這種異質性又要求QPU中的子產品層做出針對性的适應。這就帶來了定制化需求，并導緻建構QPU的流程難以大規模擴充。要想開發出規模更大的量子比特系統，首先需要消除模拟層的定制化需求，同時找到可行的控制信号與測量信号多路複用方法。
要在未來五到十年内顯著提升量子比特數量，研究人員必須首先找到成熟的多路複用方案，確定他們能夠在裝置上提升糾錯功能。這種糾錯功能的基本思路很簡單：不再将資料儲存在單一實體量子比特中，而是将多個實體量子比特組合為同一個經過糾錯的邏輯量子比特。
量子糾錯能夠從根本上解決退相幹難題，但每個邏輯量子比特可能需要100到10000上實體量子比特。這還不是唯一的障礙——實作糾錯還需要一套低延遲、高吞吐量的回報環路，且跨越QPU中的全部三個層。
目前正處于試驗階段的量子比特分為多種類型，包括超導電路、自旋量子比特、光子系統、離子阱、氮空位中心等等，我們還不清楚哪一種最适合用于建立大規模量子比特系統。無論哪種方法最有效，可以肯定的是要打造出通用型量子計算機，我們至少需要能夠封裝并控制數百萬個量子比特（甚至更多）。
這就引出了新的疑問：這一切真能實作嗎？數百萬個量子比特必須由連續的模拟信号精準控制。很難，但并非完全不可能。我和其他研究人員經過計算後發現，如果能夠将裝置品質提升幾個數量級，即可實作對糾錯控制信号的多路複用，模拟層的設計将是以變得簡單明了，數字層則可直接管理這套多路複用方案。以此為基礎，未來的QPU将不再需要數以百萬計的數字連接配接——隻需要數千甚至數百條即可，現有IC設計與制造技術已經完全能夠實作。
更大的挑戰可能來自測量方面：在量子計算機上，晶片每秒需要執行數千次測量。這些測量操作在設計上不應幹擾量子資訊（直到計算結束，這些資訊才會真正呈現），同時能夠發現并糾正期間出現的任何誤差。要以這樣的頻率測量數百萬個量子比特，無疑要求我們徹底更新現有測量原理。
現有量子比特的測量方法需要對模拟信号進行解調與數字化。在數千赫茲的測量速率下，如果一台計算機内包含數百萬個量子比特，那麼總數字吞吐量将高達每秒數PB。要求将室溫電子裝置接入絕對零度環境下量子晶片的現有技術，根本無法應對如此恐怖的資料量。
很明顯，QPU的模拟層與數字層必須和同一晶片上的量子處理層內建起來，并引入某種精巧的設計方案以實作測量預處理以及多路複用。幸運的是，單純的糾錯操作并不需要将所有量子比特的測量結果上傳至數字層。隻有在本地電路檢測到錯誤時，才需要實際執行上傳，這将大大減少所需的數字傳輸帶寬。
量子層的具體設計，将從根本上決定計算機的運作狀況。量子比特中如果存在缺陷，則意味着我們必須引入更多缺陷以執行糾錯。随着缺陷的愈發嚴重，量子計算機本身終将無法正常運轉。但反之亦然：量子比特品質的提升雖然成本不菲，但卻能給工程師們留下更多發揮空間，并最終打開指向通用型量子計算機的大門。
不過在目前的量子計算原型開發階段，我們仍然不得不對各個量子比特進行單獨控制，進而充分利用少得可憐的現有量子比特。不過随着可用量子比特數量的增長，研究人員們很快就得設計出用于實作控制信号複用與量子比特測量的新系統。
接下來的另一項重要工作，是引入某種基礎性糾錯形式。初步來看，将存在兩條并行的開發路徑——一條具備糾錯功能，一條沒有糾錯功能。但幾乎可以肯定，具備糾錯功能的量子計算機終将占據主導地位，而沒有糾錯功能的方案将無法執行任何具有現實意義的任務。
為了做好準備，晶片設計師、晶片制程工程師、低溫控制專家、海量資料處理專家、量子算法開發人員以及其他相關人士必須開展緊密合作。
如此複雜的合作，恐怕隻能在國際量子工程路線圖的指引下才有可能實作。以此為基礎，各項任務将被有序配置設定給不同的專家小組，路線圖的釋出方則負責管理各組間的往來溝通。将學術機構、研究機構以及商業企業的力量集中起來，我們有望成功建構起具備實用性的量子計算機，并真正開啟量子計算的新時代。
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原文釋出時間：2020-03-31
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