量子計算機的硬體是怎麼樣的？請具體說明，比如邏輯單元是用什麼材料做成的？

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看了網上很多資料還不是很明白，有沒有大神能解釋一下最好能說明是什麼硬體什麼材料。題主本科學的是自動化，學過模電數電計算機組成原理啥的就對傳統電子計算機的物理實現有了些了解，比如從二極體、三極體到各種門電路，由門電路組成的各種晶元、材料有PNP、NPN、金屬氧化物種種（學了好幾年，碩士學的是軟體工程，只是大概記得是這樣了），基本原理略知一二，but量子計算機到底是個啥啊看各種概念還是不太明白可能是題主沒有建立量子物理的知識體系？希望各大神科普一下～

說兩個我比較了解的。我不是做實驗的，也有很多細節不清楚，所以答案可能說得有誤，希望大家看到能指正，先感謝。

想看快的可以每段只讀第一句。

其實所謂的邏輯單元，也就是量子比特(quantum qubit)，就是一個能進行相干操作的二能級系統。按照這個標準，很多物理體系都可以做量子比特。但要做量子計算機，就需要滿足 scalable 啦之類的要求，不同的量子比特有不同的優點和限制，這裡不詳述。

超導的量子比特是利用 Josephson Junction 實現的。細分有 flux qubit, charge qubit, 根據 Josephson energy 跟 charging energy 的比值大小來 tune 到底用那個物理量（flux or charge）來作為量子態。之後有人提出 transmon，是一種 flux 和 charge 之間的量子比特（也就是上面提到的那個比值的 regime 在兩者之間），但 subtle 的是不能粗暴認為它是其中任何一種。再之後有人說哎把 transmon 裡面 Josephson Junction 的中間那個絕緣體換成半導體好了，然後我們操控電壓(那個半導體旁邊的 gate voltage) 就可以改變它的 transparency ，從來達到 tune 這個transmon 的 qubit frequency 的目的，然後我們就有了可以現場直接改變能級差的 qubit，這個就叫 gatemon。

Josephson Junction 能作為量子比特是因為這個系統的運動方程寫下來跟 harmonic oscillator 很像，但是是 anharmonic 的，即能級間間距不相等，所以你可以只 dress 其中兩個態，這樣就找到了一個能進行相干操作的二能級系統。這個 anharmonicity 要解釋的話要了解 andreev reflection，它說的就是電子從 normal conductor 到超導體裡面跑會被反射回來，但反射回來的會是個空穴。Josephson Junction 就是兩個超導夾著一個普通導體（實際上夾什麼都可以，因為太短了哪怕是個在 Tc 以下的金屬也不能顯出超導性質），naive 的圖像就是被夾住的那個導體裡面的電子被 reflected 來 reflected 去的在裡面形成了 bound state。解這個 bound state 的能量會發現它是兩邊超導的相差(phase difference) 和 cooper 對數量的函數，這個cooper 對帶來的能量啊其實就相當於體系的動能，那個相差帶來的就是勢能，然而勢能的形狀並不跟一個二次函數一致（只有當相差小的時候二階項是），所以不是個 harmonic oscillator 。

對這種單個 qubit 的操作最容易想到的就是用 Microwave drive 了，其實就是利用 Rabi oscillation 實現量子比特在 Bloch 球上的旋轉，X 門和Y門都可以，Z門就直接等它自己轉就行了。實際上呢實現方式是五花八門的，還有利用 AC Stark shift 來調控能級讓他們以想要的速率來累積 phase 啊之類的。還有現在有組開始試著用 Single flux quantum 了，好處是不需要繞超級多的線路來 amplify 啊 filter 啊之類的，可以放在離量子比特很近的地方。

超導量子比特其實我是很喜歡的，因為感覺宏觀量子態嘛的挺酷的而且各種操作都很 intuitive，貌似非常初學者友好。但是 flux noise （對 flux qubit）啊，還有 quasiparticle 的干擾好像是個比較頭疼得問題。前者去年聽 March meeting 的時候聽到說有大進展然而我太懶了並沒有跟進。。。

半導體方面呢，我寫簡單點，主要是沒想到前面的寫這麼長。。。。

有答主給了圖片，其實就是靠 gate voltage 人為弄出一個（或者兩個或者三個） spot ，這個 spot 比較喜歡只有一個 spin 或者兩個 spin 的狀態，因為這種情況下能量比較低。

其實一個 spin 本身放磁場里就是個二能級系統了，但是一個 spin 好像是因為不好操作還是啥的原因（這個我得去查一下資料），我們一般用兩個 spin 來做一個邏輯比特——一般是選 singlet 跟三個 triplet 中的一個作為量子比特的兩個能級。

怎麼操作這個邏輯比特呢，一般系統選出來的這兩個態 singlet 跟其中一個 triplet 是靠系統的磁場梯度 mix 到一起的， mix 到一起了表示如果我們能通過調節電壓到一個如果不mix二者就能量相等的點，那麼存在 mix 的時候，系統的狀態就是二者的等幅疊加態，也就是在 Bloch 球的赤道上了，其實也就實現了X90 的旋轉。當然實際操作中一般是利用 Landau-Zener interferometry 來做的，phase 干涉一兩下啥的。

這個系統相對 superconducting qubit 呢個人認為比較精巧，發展上來說似乎還挺年輕的（？），coherence time 好像達到很多很多毫秒了，拭目以待好了。限制是因為系統相關的各種能量跟磁場大小相關，所以 nuclear fluctuation 這些都是噪音，當然也有對應很多解決辦法，比如把 nuclear spin 們泵到一個方向啊，用處理過的基底啊，不用 GaAs 改用硅啊…

很多地方因為想快點打完敘述都是很隨便，這樣答學術問題有點不好意思。我改天有時間改一下。

講道理，你沒有量子力學背景，這問題很難說的清。但是可以大致的說一下量子計算的現狀。

首先，現在不存在類似於經典計算機的量子通用計算機。現有的有實際意義的硬體就兩種：量子退火機和量子模擬機。

量子退火機的技術細節比較複雜，而且除了D-wave的人和少數的合作者，其它對這一塊都不熟悉。因為是商業公司，所以他們跟學界的交流不太多，基本上處於半技術壟斷狀態。量子退火機是目前唯一擁有商業價值的量子計算機。它只能解決QUBO問題，但是有相當多的經典問題可以歸約成QUBO問題，所以還是有實際意義的。而且現在有幾千比特，已經能滿足很多現實問題的需求了（D-Wave公布的比特數沒意義，裡面有很多比特是沒有用的，具體可用比特數的比例不清楚）。目前計算的瓶頸主要在於如何用經典計算機快速轉化成QUBO，而非D-Wave的計算速度。

而我們平常說的量子計算機主要是指量子模擬機。所謂的模擬，就是用經典方法控制一個量子系統，從而模擬量子過程，即量子—量子模擬。雖然模擬機可以完成所有量子計算過程，但這與量子通用計算機是不一樣的。主要有兩個問題，一是模擬機需要龐大的經典控制系統，而且缺乏量子-經典的反饋過程；二是結構過於簡單，算不上計算機。怎麼說呢，就是有種在MineCraft裡面造的全加器那種感覺。短時間內看不到什麼通用量子計算的希望，但是模擬機造大一點的話做一些量子模擬對化學,生物幫助還是很大的，可以模擬一些經典計算機無法模擬的大分子，比如蛋白質。Google的量子霸權主要針對的就是這個問題，49個量子比特可以模擬的量子系統就跟太湖之光能模擬的一樣大了，所以Google把50個量子比特叫做量子霸權（超過現存的所有經典計算機）。

量子模擬機的硬體部分就非常隨意，現有的實現真是數不完，總有人能想出些奇怪的實現方案。主流的有光量子，NMR，Optical Cavity，離子陷，超導等。具體細節你沒學過量子力學可能無法理解，但還是稍微提一下。首先量子計算需要粒子有且只有兩個態，比如光量子使用光子的兩種自旋，其它的使用的是系統的基態與激發態，但是要控制能隙，保證沒有高階激發態出現。量子計算的本質是在Hilbert Space旋轉，對於單個粒子就是在Bloch Sphere上旋轉，所以控制需要兩個方向的旋轉操作，再加一個雙粒子相互作用，總共三種操作。

對於光量子，單比特操作一個方向利用光路長度調控相位，另一個只需要利用非線性原件就可以控制比特。相互作用利用分光鏡。

超導計算利用金屬薄的振動Nomal Modes作為量子比特，利用弱非線性區分開第一激發態和其它激發態。通過微波控制比特，然後通過調整Gate Voltage控制相位，將兩個電路連起來就可以實現相互作用。

其它的我只知道大概，畢竟我不是做實現的，對實驗接觸的不多。

以上

實現量子計算機的基本邏輯單元的方法有很多，比如離子阱，光子對，超導量子比特，金剛石色心，馬約拉納零能模(拓撲量子計算的可能方案)等等，目前尚沒有找到最好的實現，未來成熟的量子計算機可能是這些方法中的一種，也可能是目前沒有的技術手段，關鍵是哪種方法能做出大規模糾纏，退相干時間長，便於擴展、集成的糾纏量子比特。

trapped ion/superconducting nonlinear lc circuit

簡單說的話，量子計算機首先需要物理載體來實現所謂的量子比特，再根據具體載體的特點實現通用的門操作。一般實驗室中，常見的物理載體大概有這樣幾種：

1.線性光學系統。一般利用光子的偏振/路徑編碼比特，利用波片/偏振片等來實現門操作。優點是光子因為沒有相互作用，雜訊影響小，但也因此缺少集成性。自量子信息這一領域興起時，一直是演示各種方案的平台，但不太可能真的做出實用的通用計算機。

2. NMR(核磁共振)。用核自旋編碼比特，通過精確的脈衝電磁信號實現門操作。這個系統也比較乾淨，操作精度高，所以早期的時候發展很快。但它本質上只能實現系宗操作(無法操作某個單一比特，而是一次操作非常多數量的比特），並且同樣缺乏擴展性，目前也淡出計算機的位置，大部分時候是作為演示平台使用。

3. 金剛石色心。利用色心的電子自旋編碼。這個系統發展的時間不長，優勢在於室溫下可控，但也缺乏集成性。但在精密/靈敏測量（metrology）方向的應用比較活躍，比如磁場測量。

4. 離子阱。利用離子某些穩定的能級編碼比特，離子之間的運動模式實現耦合，激光實現囚禁和操控。目前發展比較活躍，當前思路是把它做到晶元上以實現更大規模的集成。但由此面臨雜訊變強和定址困難的問題。

5. 超導比特。這是人工構建的系統，利用非簡併的能級作為比特，微波實現門操作。因為技術脫胎於現代光刻技術，所以天然在集成性上有優勢。早期因為系統本身噪音很大，所以沒有受到很大的重視。這些年，由於開發出新的比特架構，對抗雜訊的時間有了數量級的提升，是Google/IBM大力投資的系統。Google宣稱會在17年年末利用這一系統，演示所謂的quantum supremacy（解決經典計算機無法解決的問題的能力），拭目以待吧。

其它諸如超晶格系統在計算方面的研究不是很活躍；拓撲量子計算的話，目前載體尚不清楚，雖然理論上，這種計算有天然的容錯性。

總之，目前離通用量子計算機的突破還是有比較大距離的，所以未必有確定的路線圖。比較可能的是，在未來幾年，某些具體的優化/模擬問題上，上述一些物理系統可能會提供超過經典計算機的能力。

占坑，上學期Chem C191的project就是做一個關於quantum computing材料的分析和預測。總體而言，coherent spin pairs和C13 Nanotube以及NMR都是看起來比較不錯的選擇。

OK，現在來放我們的入門級poster：

只有低清版，高清版太大了，傳不上去。下面所有的術語都是不專業英譯中，錯了的大家擔待一下。閱讀時候請打開poster對應看示意圖。

首先，量子計算機的構建需要幾個原則（中間那一條）：

量子比特（qubits）不能有模糊的邊界(well-characterized)，而且整個系統能夠被縮放而不改變本身性質（scalable）。因為構建N-bits system需要單個qubit的疊加態，這就需要qubits本身具有一些可以被精確測量的物理參數，比如說哈密頓量(Hamiltonian)和與外界的影響（coupling with external fields）。
量子比特能夠製造一些最基本的初始疊加態，比如說|00...0&>（fiducial states）.因為數量眾多的量子計算演算法（比如說quantum Fourier Tranform, Quantum Teleportation）都需要用到基本疊加態，然後用門電路來製造／改變糾纏與測度。
信息傳輸的真實性。這裡我們舉了個例子，比如說我們用離子來做qubits，那麼這些qubits和場的相互作用非常強，也就是說離子在還沒有到達measurement device的時候就已經找不到了，這樣會導致信息丟失。
decoherence time需要遠大於門電路的操作時間。通過對density matrices的學習，我們能夠知道decoherence time可以描述qubits（其實是每個量子系統）的動力學狀態，而且decoherence是可以讓密度矩陣裡帶有系統信息的非對角線量丟失信息的一個過程，所以門電路的操作時間如果不能遠小於這個時間，那麼丟失信息就無法避免。
能做出來一整套量子門電路。如果我只能讓一組qubits旋轉而無法製造糾纏，或者糾纏之後無法對其中一個進行操作，這樣的系統都是不完整的。
測量的可操作性。完美的測量需要density matrices里off-diagonal terms不影響觀測結果，但是真實情況下做不到這一點，測量的誤差取決於decoherence time和gate operation time。幸好這隻影響到precision而不是accuracy，所以只需要進行重複測量就可以得到接近真實值的結果——NMR bulk就是對一個項目重複多次測量來得到近似結果的。

其次，現在有一些前沿的構造（左邊那一條，最新的我們沒有列進去，可能有大佬了解）：

Quantum Dots（量子點？），也就是Paul Alivisatos的傑作。它可以用來製作zero-dimensional semiconductor system（也就是零維半導體系統，點=0，線=1，面=2，體=3），因為它能夠將電荷(charge carrier)隔離在整體材料的一個特定位置。這一性質使得quantum dot有非常長的decoherence time，且它被固定在材料表面上，不會像離子一樣隨意流動。
Exitons（電子躍遷產生的電子-空隙對）。半導體里的exitons可以被晶體振動(lattice vibration)分散開來，所以可以用time-dependent perturbation theory（微擾理論）來近似它們的動力學行為。比如說一層GaAs鋪在Al-In的合金上，那麼在它self-assembling的過程中，GaAs首先和In混合在一起，然後又被缺乏電子的Al蓋住，形成了一個二維的quantum dot array. 這個就可以被上述的電子（Ga-As-In）-空隙（Al）對來描述。
利用磁場來分離電子自旋。每個quantum dot在測量時只會顯示一種自旋類型，那麼利用2里的方法就可以合成出可測量的n-qubits system。

接下來是門電路的構造和其他的一些材料：

對於Exciton，單量子比特門電路(single qubit gate)用脈衝激光（pulse laser）可以射出共振頻率的光來操作量子比特，使整個系統到達Rabi frequency（拉比頻率），然後系統的exciton population就是一個關於t的正弦波形，然後它們的變化量就能被Mach-Zehnder interferometer抓到；雙量子比特操作可以利用相鄰兩個exciton可以互相影響的性質，用特定頻率的激光打上去只會旋轉而不會激發這個電子。測量可以用可變頻率的激光探針(probe laser beam）來單獨測量某個特定qubit，但是存在gate operation time和decoherence time在同一個尺度的問題。
自旋的電子門很好做，使用Zeeman coupling可以在n-qubit system里控制特定qubits的特定旋轉。只要能用localized magnetic field，就能讓gate operation time達到合適的尺度。所以——
C-13 nanotube用來隔離這個localized magnetic field。我們都知道C13是有+1/2自旋的、NMR-active的一種材料，利用nanotube可以將這種材料以特定濃度隔離（wrap）起來，使其不需要和多餘的外界場進行作用。

大概就這麼多，搞凝聚態的同志們可能知道的更多些。

謝邀，據我所知，量子計算機硬體至今仍無可應用的大規模方案。其原理是主要應用各體系的量子本徵態作為邏輯元素，以突破二進位的限制。計算原理為量子疊加性和量子相干性。在其它答案中有舉例說明，但是量子相干性的保證並不容易，導致現今量子計算機實用型發展還是較慢。

相反，工業界和學術界近年對相似概念神經元晶元開始大量投入研究，有基於CMOS的memrist（憶阻器），更為有趣的是實現多中間態的memrist器件，據近年在nature materials上發表的paper甚至可以達到700中間態。這優點有二：

1.超越傳統二進位，多中間態，使晶元所需集成度大大降低

2. 能耗可以達到與人的大腦相媲美的節能，這是cmos技術難以望其項背的

在圖像識別等特殊應用較強，其他方向演算法軟體未有太多開發

答主非晶元專業，純興趣，歡迎交流指正

歡迎關注或者投稿到我的專欄

新科技科普專欄科研趣文

科研方法，科研寫作 SCI論文寫作

好問題！希望知乎上有越來越多這樣的好問題。

這個問題其實是三大科學技術的交叉。可以寫一個大長篇。恰好本人對這三個領域都略知一二。那便是：電子工程學，材料物理學和計算機工程學。

占坑，考完人工智慧CS440以後回來寫。

就我比較了解的基於半導體量子點體系的量子計算單元簡單回答一下。

半導體量子點和當前集成電路里經典的晶體管類似，不同的是晶體管通過電流有無（或大小）來標定一個邏輯比特的 0/1；而量子點通過多個肖特基電極來束縛單個或極少數的電子/空穴，並通過電子/空穴的量子態來表示量子比特信息。大概樣子長這樣：

圖片來源：Spin qubits - image gallery

所用襯底材料可以是一切能將單個或少數電子/空穴束縛住的材料，比如 GaAs，Si，Ge 異質結，各種半導體納米線，甚至包括前段時間比較流行的石墨烯。加工過程很多也和傳統半導體工藝相似，需要參雜、鍍金屬、長絕緣層等。

做好後引電極出來測量。測試也是非常個性化的系統，根據需要差異很大。基本上是通過外加條件，比如靜磁場、靜電場、微波等，實現電子/空穴的量子態發生改變，從而實現操控和讀取。而由於電子/空穴量子態能量很低，容易受外界（哪怕是熱漲落）的影響，絕大部分實驗都在低溫或極低溫下完成。下面是一個稀釋制冷機（可以達到臨界溫度以上幾 mK）內部的照片，僅供參考：

圖片來源：Google isn』t far off from achieving quantum supremacy

這個領域目前最大的挑戰還是體系本身不夠簡單，主要體現在退相干時間太短、多比特耦合強度不足、空間可擴展性離預期遠等方面。離傳統意義上能破 RSA 演算法的那個穩定性和規模還是相差很遠。但這個領域作為凝聚態基礎物理研究，或者單電子/空穴操控的技術開發，還是一個非常有趣的平台。我的理解就是，雖然科研人員對外宣稱做量子計算機，其實路途還很遙遠，但這一路的收穫相比實現量子計算機本身也有極大的科學價值。

物理系小白強答一發

用光子實現量子計算中，把光子的自旋狀態作為量子比特，各種邏輯門用不同的透鏡組合實現，從而操縱光子的自旋狀態，實現量子計算。

當然實現量子計算機的方式不只有光子一種，還有得過諾獎的原子阱(好像是被稱為最有望實現量子計算機的一種方式)還在讀相關論文理解不深不亂答

除了這兩種方式還有很多的方式實現量子計算機

先挖好坑多看論文再慢慢填

1超導材料，使用磁場，控制/探測，量子比特量子態反轉!

2量子阱，利用單原子與光子共振腔相互作用，構成量子邏輯門!

3核磁共振型!

4純光子糾纏類!(潘建偉搞的那個，缺點是隨著量子比特位的增加，系統複雜度會急劇增加!)

5半導體量子點操控類!

6金剛石內嵌氮原子類!

忘了寫，

瀉藥!

似乎現在也有人用量子點來做量子計算機的基本邏輯運算單元。

可以用一個，兩個或者是三個量子點來實現一個Qbit。一個量子點的Qbit相比起兩個和三個的，decoherent太快，不怎麼好使，所以現在主要研究的還是兩個量子點和三個量子點的Qbit。

等看完論文了再回來寫下文...

進門一個小隔間，裡面放著衣鞋架，來人必須換上白大褂和拖鞋，才能進去。

往裡是一個恆溫超凈間，放著一張巨大的氣墊工作台，上面密密麻麻地固定著各種透鏡。

樓下基於光子的實驗室大概就是這樣。

要我說，其實就是在炒概念，具體實現方法根本還沒影呢。

就像當初炒的很厲害的光計算機如何？現在都沒人說了。

量子計算機，試圖通過量子計算機硬體，來解決波函數坍縮的問題，讓量子疊加態保持得更久一點，以運用於量子計算。到目前為止，這仍然是一個美好的想像。因為波函數，總是無可救藥地坍縮。冷凍原子也好，其他辦法也好，波函數疊加態，都撐不過當前這一刻。