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title: 12 量子硬體總覽
tags: [量子硬體]

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# 量子硬體總覽
要理解量子電腦的硬體原理並非易事，牽涉到許多量子光學理論，而且實現量子電腦的方式有很多種，需要學習的物理知識將要更多，相比入門量子計算，入門量子電腦硬體原理的門檻高很多，即便如此，不同類型的量子電腦仍有共通點，掌握這些共通點，入門各種種類的量子電腦將會顯得容易一些，這便是「[量子電腦硬體總論](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/courses/hardware-general)」這系列的目的。

## 量子電腦的實現方式
[實現量子電腦](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/popular-06)的方式有很多種，如下圖所示，大致可以分類成基於原子能階、spin（自旋）、光子和 anyon(任意子)

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    <img src="https://hackmd.io/_uploads/H1qGChMSA.png" alt="圖片內容" width="100%"/>
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    <p>實現量子電腦的方式
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    Picture come from doi:10.1088/1674-1056/abd762</p>
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基於原子能階的有超導量子電腦（人造原子）、離子和中性原子（自然原子），基於 spin 的有量子點（電子自旋）、鑽石空缺（電子自旋）和 NMR（核磁共振，原子核自旋），基於光子的有光量子電腦，最後基於 anyon 的為 topological QC。

基本上，只有光量子電腦、 NMR 和鑽石空缺能在室溫下操作（不過 NMR 有超導磁鐵，所以機身還是要在 10K 下），原子與離子雖然是在室溫下操作，但以原子（或離子）振動來說，溫度差不多落在 10K，其餘像是量子點、超導量子電腦與 topological QC 都需要在接近 0K 的環境下，因而都必須使用現在熱門的稀釋性製冷機。 

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    <img src="https://hackmd.io/_uploads/ryayg6fHC.png" alt="圖片內容" width="100%"/>
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    <p>各種量子電腦的操作溫度
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    Picture come from doi:10.1088/1674-1056/abd762</p>
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## 量子電腦的架構
量子電腦的架構有詳細的定義，可以參看 [DiVincenzo criteria](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-01)，先不在這裡做介紹。下圖是離子阱量子電腦的架構示意圖，可以看出一個量子電腦是如何在實際物理系統上實現。

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    <img src="https://hackmd.io/_uploads/B1uXbpGr0.png" alt="圖片內容" width="90%"/>
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    <p>離子阱量子電腦架構示意圖
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    Picture come from doi:10.1038/s41578-021-00292-1</p>
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首先，量子電腦一定要有良好特徵的 qubit（上圖中左邊的球），良好特徵的意思就是這 qubit 需要是 [two level system](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-02)（TLS），即有兩個狀態，能量較低的狀態作為 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$，不過現實中沒有完美的 TLS，一定是有很多能階（像是原子），所以要從這麼多能階中挑出兩個能階最為計算用的 0 與 1。

有了一個 TLS 後就能實現單量子邏輯閘，在量子電腦中實現量子邏輯閘均是（除了光子與 topological）施加一道電磁波影響 qubit 的能階（圖中的紅色），以原子和離子為例，就是用雷射影響電子處在哪一個能階，而常用於控制 qubit 的方法有 [Rabi oscillation](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-04) （拉比震盪）與 [adiabetic passage](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-06)（絕熱通道），這將在這系列中做入門介紹。

如果要實現雙量子邏輯閘，像是 CNOT 與 SWAP，就有些麻煩。要有個神秘的力量在兩個 qubit 之間做影響（圖中的綠色曲線），當其中一個 qubit 的狀態改變，能夠過這神秘的力量影響到另一個 qubit，這神秘的力量稱作 "coupling"（耦合）。 Coupling 會視選定的物理系統而有所不同，像是離子的便是庫倫排斥力，因此在這系列中不會做介紹。

最後就是測量，常見的測量方法也是打一道電磁波（圖中的藍色光線）去影響 qubit，從電磁波的改變或是 qubit 的改變來判斷 qubit 是 0 還是 1，這部分原理上解釋起來較容易，測量方法也會視選定的物理系統而有所不同，因此也不會在這系列中做介紹。

做出了量子電腦後，要怎麼知道這台量子電腦的表現如何，相比其他量子電腦的表現如何？
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    <img src="https://hackmd.io/_uploads/H1VpS6fr0.png" alt="圖片內容" width="90%"/>
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    <p>各種量子電腦的效能比較（截自 2022）
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    Picture come from arXiv:2203.17181</p>
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影響量子電腦表現的因素有很多，諸如 qubit 數、量子邏輯閘的 [fidelity](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-08)（保真度）、[coherence time](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-09)（相干時間，包括 $T_1$ 與 $T_2$)、connectivity 與 parallelism 等等，如何將以上因素綜合做評分，評斷出「A 量子電腦比 B 量子電腦好」的結論，我們需要有一個可以[綜合評分](https://entangle-tech-7fa0bb.webflow.io/lesson/hardware-general-11)的方法，這都將在這系列做介紹。