量子計算是一種新興技術，它利用支配宇宙最小尺度運行的物理規律來編碼和處理資訊。量子計算有潛力解決一些超出當今最強計算技術能力範圍的問題。然而，構建一台能夠實現這一承諾的機器長期以來都極具挑戰性。如今，已經出現了幾種不同的架構，為大規模運行量子算法提供了不同的路徑。
量子計算的核心單元是量子比特
，即Qubit。這些是物理對象，例如原子、電子或超導電路，它們固有的屬性是量子化的，這意味著它們只能呈現離散（而非連續）的數值，我們可以將計算中的0和1編碼到這些數值上。由於具備量子力學特性，這些數值還可以進入疊加態——即0和1的線性組合，並且彼此之間可以發生糾纏，從而使資訊同時分布在多個量子比特上。量子電腦必須準備和操控量子比特的狀態，並在計算結束時，將整個陣列測量為最終的比特串。
IBM目前正在研究兩種量子計算硬體架構。第一種也是更為成熟的一種，基於超導transmon量子比特，它由超導電路製成——這種電路能夠在無電阻的情況下傳輸電流，並可以呈現離散的能量狀態。第二種較新的方法基於自旋量子比特，它將資訊編碼並儲存在單個電子的自旋態中，並對其進行操控。IBM旗下公司HRL實驗室一直在推進自旋量子比特的研究。
什麼是自旋
自旋如何表示量子比特
自旋量子比特的比較優勢是什麼
什麼是自旋
自旋是一種內在的量子屬性，沒有經典物理中的對應概念，儘管它的一些數學描述看起來與旋轉的球體類似。電子自旋可以指向上或下，取值為正二分之一或負二分之一。當進行測量時，量子自旋永遠不會取到這兩個選項之外的其他值，這打破了與旋轉球體的直接類比關係——旋轉的球體可能轉得更快或更慢，或繞著與你所測量的軸不同的軸旋轉。自旋在原子、分子和材料中可以以多種方式呈現：多個電子協同作用可以呈現更高的自旋態，甚至在電子缺失（即"空穴"）的情況下也能表現出自旋。基於自旋的量子電腦將資訊編碼在一個或多個自旋的特定選定狀態中。
使用自旋量子比特首先需要將一個或多個單獨的電子限制在被稱為量子點的結構中。HRL的量子點利用夾在矽鍺層之間的一層矽，將電子限制在這層矽中的二維平面內。隨後，我們在這個"異質結構"頂部製作的微型金屬柵極上施加電壓，將一個電子直接困於柵極下方。還有其他方法可以囚禁電子，比如使用不同的量子點結構，甚至利用植入的原子。
自旋如何表示量子比特
自旋量子比特架構有多種類型，以下兩種最為常見：
在Loss-DiVincenzo自旋量子比特方案中，單個量子點囚禁一個電子，其狀態通過微波脈衝進行控制。自旋指向的方向（向上或向下）儲存量子比特的數值。相鄰量子比特之間通過在柵極上施加電壓脈沖，使電子的量子波函數短暫重疊，從而產生"交換"相互作用，實現糾纏。
純交換量子比特則使用三個量子點（因而是三個電子）來表示一個量子比特。這種類型的量子比特可以完全通過電子-電子交換相互作用進行控制（不需要微波），使用與傳統電子學類似的基帶電壓脈沖，儘管需要用到許多這樣的脈沖。
HRL已經開發出一種基於純交換量子比特的自旋量子比特架構，最近展示了一個包含54個量子點的完整系統，可配置為容納多達18個量子比特，並在此系統上實現了一種簡單的量子錯誤檢測編碼。與超導量子處理器一樣，自旋量子比特也必須保持在稀釋制冷機中的低溫環境下運行。
自旋量子比特的比較優勢是什麼
自旋量子比特具備多項特性，使其成為量子計算領域有前景的候選方案。它們具有高門操作保真度，並且可以使用先進的半導體工藝進行製造，這使其有利於向許多量子應用場景所需的大規模量子比特數量擴展。自旋量子比特的運行速度相對較快——肯定比離子阱或中性原子更快。但在測量速度方面，它們不如超導量子處理器快。
或許最重要的是，由於純交換量子比特僅依靠電壓脈衝來執行門操作，這些量子比特只需要相對簡單的控制信號。在HRL展示基礎糾錯能力的那篇論文中，量子處理單元完全由一塊定製的CMOS晶片控制，該晶片工作在4K溫度下，接近稀釋制冷機中最冷的那一級。這大大減少了從室溫端引出的必要連接數量，使未來系統能夠更快速地擴展到更大規模。對於依賴微波進行控制的量子比特而言，這將是一個更大的挑戰，因為這類硬體通常必須保持在室溫下，並通過長長的同軸電纜連接到量子比特。
目前，基於自旋量子比特的量子電腦所擁有的量子比特數量不如超導量子電腦，並且在擴展規模方面仍存在挑戰。我們正致力於利用Anderon的設施，使我們的量子比特更加均勻，並提高其製造良率。我們還必須降低控制器所需的功耗，並在擴展規模的過程中進一步整合所需的布線。我們正在開展相關研究，以應對這些挑戰以及更多問題。
同時推進自旋量子比特和超導量子比特的研究具有比較優勢。兩者都基於半導體製造技術，因此在一個平台上製造工藝的進步可能對另一個平台也有所助益。此外，鑑於兩者底層硬體平台的相似性，我們也對探索同時採用這兩種量子比特架構的混合系統的潛力感到振奮。
最終，我們預計超導量子比特將先於自旋量子比特帶我們進入容錯時代，這一進程將從IBM Quantum Starling開始，並延續至IBM Quantum Blue Jay。然而，IBM同樣在推進自旋量子比特的研究，以更好地理解它們可能如何為未來更大規模或成本更低的系統做出貢獻。我們很高興能將自旋量子比特納入我們的技術組合，共同致力於將實用的量子計算帶給世界。
