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科幻作品都有超前科技吸引眼球，在《流浪地球2》中，名為“MOSS”的量子計(jì)算機(jī)如同黑巫師展現(xiàn)了超強(qiáng)計(jì)算能力，它可以堅(jiān)定的執(zhí)行自己使命，可以隨意干擾人類決策。目前還沒有“MOSS”級(jí)的計(jì)算機(jī)， MOSS 盡情展現(xiàn)出了人類對(duì)高性能量子能力的期盼。那么現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)到底是什么樣，水平有多高呢？我們來簡(jiǎn)單了解一下。

1  目前的量子計(jì)算機(jī)水平

1981年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出了量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想，量子計(jì)算機(jī)有三大要素：物理體系，量子比特?cái)?shù)量，量子算法，建立在量子具有獨(dú)特的糾纏態(tài)性質(zhì)之上，疊加態(tài)分布可初始化設(shè)定，可變換，可測(cè)量的基礎(chǔ)上。 量子比特處于“0”和”1“的疊加態(tài)，可以同時(shí)表示0和1，對(duì)N位量子比特進(jìn)行一次運(yùn)算操作，等效于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行2N次操作，比如，一臺(tái)有64個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算能力大約是1.85E19次/秒，這已經(jīng)超過了我國(guó)的超算天河2號(hào)，這也是量子計(jì)算機(jī)獨(dú)特的并行運(yùn)算能力。量子比特越多，其運(yùn)算能力越強(qiáng)，當(dāng)然了，制作難度也是成指數(shù)級(jí)上升的。量子計(jì)算機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是：快速，可以在短時(shí)間內(nèi)解決目前超級(jí)計(jì)算機(jī)無法回答的問題。

量子計(jì)算機(jī)總需要基于某種物理體系來實(shí)現(xiàn)，按照物理體系的差異，量子計(jì)算機(jī)可分為超導(dǎo)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、拓?fù)洹㈦x子阱、光量子，NV色心等幾類。目前量子計(jì)算機(jī)的性能受限于量子比特的數(shù)目，計(jì)算能力還比較低，同時(shí)目前尚無通用的量子算法，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)幾乎都是專用型計(jì)算機(jī)，只能解決特定的問題。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了質(zhì)因數(shù)分解算法(1994，Peter Shor)，量子搜索算法(1996，Grover)，這使得量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)有了明確的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 現(xiàn)在幾種主要的量子計(jì)算機(jī)

2022  IBM 魚鷹 433量子比特

2021  中科大 祖沖之二號(hào)  66量子比特

2021   中科大  九章二號(hào)  113個(gè)光子144模式

3  量子計(jì)算機(jī)離我們有多遠(yuǎn)

現(xiàn)有的各種路線—離子阱或超導(dǎo)量子—都面臨著不同的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，在超導(dǎo)量子計(jì)算方向上，科研人員正在尋求提升量子門操控的保真度的方式，嘗試量子糾錯(cuò)的算法，創(chuàng)新量子比特操控和讀取的方法。

研究表明，量子計(jì)算可以基于各種物理體系，研究的瓶頸仍然是物理實(shí)現(xiàn)方式。 同時(shí)我們也應(yīng)該看到，量子計(jì)算機(jī)還很脆弱，量子態(tài)保持受環(huán)境影響比較大，需要通過糾錯(cuò)編碼的方式解決。實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)，可用來解決各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用問題，所需的量子比特?cái)?shù)目要達(dá)到更高水平，達(dá)到幾萬(wàn)乃至上百萬(wàn)，通用量子計(jì)算機(jī)的成功還有漫長(zhǎng)的路要走，各國(guó)科研人員正在多條線路中激烈角逐。

4  飛時(shí)科技助力量子研究

SHFQC 8.5 GHz 量子測(cè)控一體機(jī)

SHFQC 量子測(cè)控一體機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行控制，讀取和快速反饋，多達(dá) 6 個(gè)超導(dǎo)量子比特。它集成了 SHFQA 量子分析儀 和 SHFSG 信號(hào)發(fā)生器，以及其他功能于一身。因?yàn)?SHFQC 集成了微波信號(hào)產(chǎn)生模塊和觸發(fā)分配單元，延時(shí)低于 350 ns 超快反饋，并可直接連接到致冷機(jī)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。SHFQC 的控制通道有 3 種配置以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)需求，即 2個(gè)，4 個(gè) 或 6 個(gè)控制通道。對(duì)于 2 個(gè)或 4 個(gè)控制通道的初始配置，用戶可以在線升級(jí)至更高的通道配置。

SHFQA 8.5 GHz 量子分析儀

SHFQA 量子分析儀，作為獨(dú)立單體儀器，具備完整的實(shí)時(shí)量子態(tài)讀取功能，最多可讀取高達(dá) 64 個(gè)超導(dǎo)和自旋量子比特。 SHFQA的頻率范圍為 0.5 - 8.5 GHz，分析帶寬為 1 GHz，且無需混頻器校準(zhǔn)。SHFQA 具有 2 個(gè)或 4 個(gè)讀取通道，每個(gè)通道均可以分析多達(dá) 16 個(gè)量子比特，8 個(gè) qutrit 或 5 個(gè) quaquad。對(duì)于 2 通道 SHFQA，此功能需要配備 SHFQA-16W 選件。

SHFQA 憑借其先進(jìn)的定序器和低延遲信號(hào)處理鏈，包含匹配濾波和結(jié)果關(guān)聯(lián)運(yùn)算，能夠以最佳的信噪比和最低的延遲實(shí)現(xiàn)多量子態(tài)鑒別。SHFQA 可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡渌麅x器，以實(shí)現(xiàn)有效的 qubit 復(fù)位或全局糾錯(cuò)協(xié)議。通過作用包括用戶界面，應(yīng)用程序接口 (API) 和 LabOne QCCS 控制軟件的 LabOne 軟件組件，SHFQA 可支持規(guī)模從幾個(gè)至幾百個(gè)量子比特的量子計(jì)算系統(tǒng)。

UHFQA 600 MHz量子分析儀

UHFQA 量子分析儀是市場(chǎng)上僅有的一款可并行、高速和高保真度讀取多至 10 個(gè)超導(dǎo)或自旋量子比特的儀器。 UHFQA 覆蓋的頻率寬度為 1.2 GHz (±600 MHz)，時(shí)間分辨率在納秒量級(jí)。 UHFQA 擁有 2 個(gè)輸入通道和 2 個(gè)輸出通道，用于 IQ 調(diào)制操作。 得益于低延遲的信號(hào)處理鏈路 (包含匹配濾波器、實(shí)時(shí)矩陣操作，以及量子態(tài)鑒別)，UHFQA 與其它 QCCS 儀器并用時(shí)，可支持擁有 100 個(gè)甚至更多量子比特的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

PQSC 可編程量子系統(tǒng)控制器

PQSC可編程量子系統(tǒng)控制器，是Zurich Instruments 的一款用于操控所有 QCCS 儀器，以實(shí)現(xiàn)多量子比特 (多達(dá) 100 個(gè)) 量子計(jì)算的控制器。PQSC 提供ZSync 低延遲實(shí)時(shí)通信鏈，專為量子計(jì)算設(shè)計(jì)。PQSC突破了傳統(tǒng)控制方式的局限，使快速自動(dòng)化量子比特校準(zhǔn)的常規(guī)化成為現(xiàn)實(shí)。PQSC的FPGA 型號(hào)是功能強(qiáng)大的 Xilinx UltraScale+。直接對(duì) FPGA 進(jìn)行編程配置，并通過開發(fā)經(jīng)過優(yōu)化的新信號(hào)處理方案，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，例如在特定的量子算法和量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)中進(jìn)行快速啟動(dòng)和糾錯(cuò)等。

SHFSG 8.5 GHz 微波任意波形發(fā)生器

SHFSG 信號(hào)發(fā)生器可以直接產(chǎn)生頻率范圍從 DC 到 8.5 GHz 的量子比特控制信號(hào)，具有 1 GHz 的無雜散調(diào)制帶寬。 SHFSG 使用雙超外差技術(shù)進(jìn)行頻率上變頻，無需混頻器校準(zhǔn)并節(jié)省系統(tǒng)調(diào)校時(shí)間。每個(gè) SHFSG 帶有 4 或 8 個(gè)具有 14 位垂直分辨率的模擬輸出通道。 SHFSG 可經(jīng) LabOne 、 API 或 LabOne QCCS 軟件控制，支持大小從幾個(gè)量子比特到幾百個(gè)量子比特的量子計(jì)算系統(tǒng)。

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