目前最流行的transmon/Xmon量子比特 。
一个多比特超导量子芯片的照片 ， 图中用不同色彩标出了不同的电路元素 ， 包括量子比特、读出谐振腔、读出总线传输线等 。
前面讲到超导量子比特经过多年的发展 ， 发展出了多种结构 。 其实在这一过程中 ， 科学家也逐步解决了扩展性、退相干、门操控和读出等方面的问题 ， 也就是前面Devincenzo准则中提到必须解决的问题 。 2013年 ， 两位著名的量子计算专家 ， Yale大学教授Devoret和Schoelkopf写了一篇展望 ， 给出了通用量子计算发展的一个路线图 ， 其中超导量子计算已经处在第三到第四阶段发展的水平 ， 而其他很多方案 ， 仍处于第一或第二阶段 。 同年 ， MIT的研究组画了一张图 ， 显示了超导量子比特退相干时间的“摩尔定律” ， 从最早第一个量子比特不到3纳秒 ， 提高到了现在300微秒的水平 。 不到二十年的时间 ， 提高了五个数量级 ， 可见这个领域的发展速度之快 。 现在 ， 几个著名的科技公司 ， 包括Google、IBM、Intel等 ， 都参加到了量子计算研发的行列中来 ， 而他们都选择的是超导的方案 ， 可以说 ， 超导量子计算 ， 已经成为目前最有前景的量子计算实现方案之一！
5、量子计算离我们还有多远？2019年10月 ， Google在Science上刊出了一篇论文 ， 介绍了他们验证了量子霸权的实验结果 。 这个实验让全世界都备感兴奋 ， 谷歌的CEO皮查伊评价这个实验的意义 ， 就像当年莱特兄弟发明了第一驾飞机 。 不过 ， 正如第一驾民用客机要到50多年后才诞生 ， 量子计算机走入千家万户 ， 仍有很长的路要走 。 我找了张珠峰的照片来做比喻 。 如果把建造通用量子计算机比做珠峰的峰顶 ， 那么 ， 在登顶之前 ， 我们还有两座大山需要翻越 。 首先是构建出量子纠错的逻辑量子比特 ， 然后是在逻辑量子比特上实现所有的通用量子门操作 。 在这两座大山面前 ， 量子霸权其实只是一个小土坡而已 。 不过也不要小看这个小土坡 ， 它的海拔 ， 其实也在五千米以上了 。
我们再来看一张更为量化的图 。
图上的绿色区域是纠错的通用量子计算机所需要达到的硬件要求 。 虚线是进行表面编码量子纠错的错误率阈值 ， 我们刚刚超过了这个阈值；大约50个量子比特以内的量子线路是经典计算机就能够模拟的 ， 我们也刚刚超过了这个阈值 。 那距离通用量子计算机还差多远呢？单从比特数量上看 ， 我们还有5个数量级以上的差距 。 或许很多人对这个差距有多大一下子没什么概念 ， 那我们就以过去半导体晶体管的集成速度来做个估算 。 著名的摩尔定律表明 ， 几十年来 ， 晶体管的数量一直以大约每两年翻一翻的速度在增长 。 如果把这个规律套用到量子比特数量的发展上 ， 那么 ， 要增长5个数量级需要多久呢？需要26年（我掐指一算 ， 那年我正好退休） 。 那是不是我们可以对量子计算继续抱观望态度呢？也不是 。 在50个到100万个的巨大空档里面 ， 我们依然是可以做很多事情的 。 现在 ， 学术界和工业界都在积极的寻找近期应用 ， 看看如何在中等规模有噪声的量子计算机上 ， 开发出有实际经济效益的应用来 。 比如最近Google就在实现量子霸权的芯片上 ， 模拟了一些简单分子的基态求解问题 ， 探索利用量子芯片来加速化学分子计算的可能 。 他们甚至开始与制药厂合作 ， 探索如何利用量子计算来加速新药的研发 。
6、结语在技术上 ， 我们不仅要不断克服量子比特数量增长带来的各种问题 ， 还需要不断去提高每个量子比特的退相干时间和操控的保真度 。 也就是说 ， 量子资源实际上是要从两个维度上来拓展的 ， 前一个我们可以说是空间上的 ， 后一个则是时间上的 。 我们需要不断解决比特数增加带来的排线问题 ， 以及串扰的问题 。 Google在Sycamore芯片上 ， 就应用了倒装焊技术成功的解决了二维阵列排列的量子比特排线问题 。 另外 ， 微波的引线和封装也是一个很大的难题 ， 因为量子比特操控和读取都需要微波 ， 但现在的微波器件体积都很大 ， 在极低温下做大规模封装几乎是不可能的 ， 必须要想办法将微波线路小型化 ， 甚至某些微波器件要直接做到芯片上去 。 此外 ， 电子学的集成扩展 ， 跨芯片间的量子态传输和纠缠等技术 ， 都非常具有挑战性 。 困难很大 ， 但是希望也很大 。 乐观派认为量子计算机的发展速度要比我刚才的估计要快得多 ， 比如谷歌就已经给出了他们的十年发展路线规划图 。 目前他们已经实现了第一个小目标量子霸权了 ， 到2029年 ， 他们计划将做出超过100万个量子比特 ， 而且是量子纠错的量子计算机 。 而在中间的这段时间 ， 他们将不断探索中等规模有噪声量子计算机上的应用 ， 包括量子模拟、优化、采样、量子人工智能等等 。 也就是说 ， 或许在三到五年的时间上 ， 量子计算就已经开始改变我们的生产和生活方式了 。 当然 ， 这只是比较乐观的估计 ， 但不管怎么样 ， 量子计算蕴含着无限可能 ， 正等待着我们去开发！
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