可重复的结果和行为，但仍有许多问题需要解决。
扩大量子计算规模的竞赛正在进行，将其从一个深奥的研究工具转变为商业上可行的通用机器。
专用量子计算机已经问世好几年了。像D-Wave这样的系统优势专注于特定类别的问题，这些问题可以被建模为量子系统。尽管如此，拥有通用量子计算机的最终目标仍然难以实现。
在2000年，一个开创性的纸当时在IBM工作的物理学家大卫·迪文森佐列出了实用量子计算机的标准。在其他需求：
然而，20多年过去了，满足所谓的DiVincenzo标准的系统还没有出现。加州理工学院的理论物理学教授约翰·普雷斯基尔认为，描述如“噪声中间尺度量子(NISQ)技术——具有50到100个量子比特和有限纠错能力的系统。”
普雷斯基尔称赞NISQ系统是重要的研究工具。它们可以模拟比传统数字计算机更复杂的量子系统，但这种设备的商业适用性尚不清楚。相反，量子计算的未来取决于通用的、基于门的、turing量子计算机。这样的系统首先需要能够纠缠大量相同的量子位，并保持足够长的时间来进行计算。
理论上，量子叠加是一种结构，其中一个或多个量子粒子同时占据所有的潜在状态，其概率分布由薛定谔方程对于方程组。测量系统迫使它取单个值，“崩溃”叠加。在量子计算中，这个结果就是期望的答案。
图1:量子计算机，箭头指向用于向量子比特传输信号的光纤。资料来源:国家标准
管理噪声和错误率
不幸的是，从量子态的角度来看，量子位和周围系统之间的许多不同的相互作用就像“测量”一样。精心控制的量子比特状态和周围物质的相对无序之间的相互作用还没有很好地理解。不过，很明显，电噪声和晶格振动等因素可以减少相干时间。
噪声和相干时间之间的联系需要权衡。Imec的量子和探索性计算主管Iuliana Radu解释说，系统的噪声容忍取决于量子位的两个状态之间的能量分离。低分离降低了初始化量子位所需的能量，但也降低了噪声容忍度。出于这个原因，约瑟夫森结、硅自旋量子比特和类似的设计都在略高于绝对零度的毫开尔文温度下工作。
图2:Imec的全硅量子比特。来源:Imec
此外，日本理化研究所量子计算中心超导量子电路组组长Yutaka Tabuchi指出在今年夏天的超大规模集成电路技术研讨会上，量子比特没有电压阈值。数字晶体管需要超过晶体管的阈值电压才能打开，因此在一定程度上可以保护晶体管免受噪声的影响。然而，量子系统中的噪声实际上并不需要扭转电子自旋来改变计算结果。
任何提供适当量子态的系统理论上都可以作为量子计算机的基础。但实际上，集成电路行业能够制造大量几乎相同的纳米级元件，这使得半导体量子点成为领先的竞争者。硅量子点是今年VLSI技术研讨会上几篇论文的重点。硅之所以令人感兴趣，是因为它不像III-V半导体，它最常见的同位素，28Si没有核自旋。在MRS公报中，加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程兼职教授Mark Gyure和他的同事们解释核自旋可以与受限电子的自旋相互作用，降低相干时间。29硅约占天然硅的4.7%，具有1/2的核自旋。作为之前报道在美国，英特尔公司已经证明了用同位素纯硅制成的量子位的相干时间有所提高。
在VLSI技术研讨会上，研究人员N. I. Dumoulin Stuyck和Imec和KU Leuven的同事们证明了利用单电子晶体管通过电荷传感进行量子位读出，结合单量子点和双量子点量子位。他们的方法，使用电子自旋共振初始化量子位，在相邻点之间实现了可重复的隧道耦合，使用0.4特斯拉场，寿命高达580毫秒。他们的工作还值得注意的是使用多晶硅门来最大限度地减少热膨胀不匹配，在低温下这是一个严重的问题。
台湾国立阳明交通大学副教授王宜祥和他的同事们解释定义量子点有两种方法。具有良好隔离特性的衬底，如完全耗尽的绝缘体上硅晶圆，可以使用光刻模式在量子阱之间制造物理屏障。这种强约束有助于降低噪声，但为单个量子比特对准电极具有挑战性。或者，一个自对准的栅电极可以提高和降低每个量子点周围的隧穿势垒。这种方法需要大量电极，而且相对较弱的电子约束增加了噪声敏感性。该小组通过选择性氧化和SiGe柱的Ostwald成熟制备了Ge量子点。因为SiO的增长2在能量上对GeO有利2，可以调整原始SiGe柱中的锗分数来调整量子点的大小。
日本AIST研究所的研究人员Shota Iizuka及其同事表示，当硅量子比特使用磁场来初始化和操纵电子自旋时，减少量子比特和初始化磁铁之间的分离会增加有效场解释．在传统的集成中，磁体位于量子位之上，这增加了两者之间的分离。此外，磁铁尺寸的变化导致量子位行为的变化。他们使用了源自IC工业的自对准工艺，将纳米磁体埋入衬底，极大地减少了光刻变化。首先，翅片形成过程确立了磁体宽度。然后是SiO2沟槽蚀刻设置磁铁底部。最后，钴蚀刻确定磁体顶部。
纠错和带宽问题
不管具体的量子位设计如何，对于通用量子计算机来说，纠错很可能是必要的。如果——或者当——量子叠加态因为任何原因丢失了，系统需要能够恢复它。迄今为止提出的大多数纠错方案都依赖于冗余，本质上是创建所需量子态的多个副本。每个逻辑量子位由数百甚至数千个物理量子位组装而成。Radu说，一般来说，错误率越高，就需要更多的物理量子比特来确保准确的结果。低错误率对于大型算法至关重要。
所需设备的庞大数量，加上低温操作的需求，带来了重大的实施挑战。例如，在DiVincenzo标准下，必须能够独立地初始化和读取每个量子位。如果系统的控制电子设备位于冷却器之外，那么可能需要在控制电子设备和量子位之间运行数千根电线。这种方法的障碍包括信号强度下降、串扰，以及将数千根屏蔽线布线到一个毫开尔文冰箱的物理困难。
RIKEN的Tabuchi说，在数字电路中，信号“级联”:一个门的输出可以为下一个门输入。只要驱动电流足够，信号完整性与导线长度是相对独立的。相比之下，量子电路具有模拟输入/输出和模拟控制电压，导致长距离的信号损失。类似地，电压阈值的存在减轻了数字电路中控制线之间串扰的影响。在量子电路中，即使是1%的串扰也很重要。
光纤是一个潜在的解决方案。它支持巨大的带宽，它与温度无关，它可以容纳高频信号。美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究科学家Florent Lecocq和他的同事们证明了超导量子比特的光学控制。另外，RIKEN小组在将信号传输到环境温度世界之前，通过在量子位级别上进行误差校正来降低带宽需求。他们的方法基于对称性，将相同的信号应用于对称相关的超导量子比特。
结论
总的来说，量子计算的前景喜忧参半。在迪文森佐的论文发表20年后，关于潜在量子计算机架构的基本问题仍然没有答案。正如Imec的Radu所指出的那样，目前还没有一种与硅标准电池相当的量子电池。器件和材料在低温下的性能仍然知之甚少。
另一方面，研究人员正在使用类硅工艺制造具有可重复、明确定义行为的设备。我们还没有量子微处理器，但我们可能正在开始组装积木。
参考文献
https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002077.pdf
https://arxiv.org/pdf/1801.00862.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508652
https://link.springer.com/content/pdf/10.1557/s43577-021-00140-1.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508663
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508660
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508735
https://arxiv.org/pdf/2009.01167.pdf
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