量子计算机组件将长什么样？

我记得十多年前在大学时，上高级物理课时听说过量子计算机。那时，对我来说理解核心概念已经够难的了，教授解释起来也很费劲。快进到今天，量子计算机终于成为了现实，任务变成了如何扩展这项技术。如果你是一个量子算法开发者，你甚至可以通过云租用量子计算机的时间，运行你自己的量子应用程序。

直到大概最近两年，很多人都没有见过量子计算机的内部，直到许多科技巨头开始公开他们系统的一些细节。现在我们有幸看到构建量子系统的一些细节，更容易看出量子计算机的主要组件是什么样的，以及它们执行什么功能。除了用于量子位处理器的结构外，量子计算机组件与它们的经典对应物有很多相似之处。

目前，量子计算机最重要的部分（量子位处理器）完全是定制的，但还有许多其他子系统使量子计算机运行。PCB设计师在帮助商业化这些系统方面可能比他们想象的要发挥更大的作用。不深入探讨什么是量子计算机，我会尽我所能解释不同量子计算机组件所扮演的角色。

是什么让计算机成为“量子”？

所有量子计算机都使用量子位，或称为量子比特，来处理信息。对量子计算机的流行解释是，它利用了量子比特可以作为信息状态的叠加（或组合）存在的事实，这被解释为量子计算机处理器中的量子比特同时处于0和1状态的某种混合中。量子力学的另一种哲学观点（或“多世界”解释）认为，量子计算机本质上是并行化的机器，拥有在平行宇宙中运行多个计算的量子计算机的副本！

无论哪种物理图像能帮助你最好地理解量子比特的行为，量子比特本身只是故事的一半。另一半依赖于纠缠的使用，这是一个仍然让物理学家困惑的现象。爱因斯坦将其描述为“超距作用”，因为它允许量子比特即使相隔极远的距离也能被写入相同的量子状态。这引发了诸如超光速通信之类的问题，甚至催生了量子雷达等应用。

量子计算机的作用

量子计算机旨在操纵和读出量子比特，这些量子比特可能与其他量子比特纠缠在一起，或者可能处于0和1的某种叠加状态。这依赖于许多重要的组件和子系统。尽管量子计算机使用量子比特，但使其按设计工作的支持子系统都是经典组件，直到电路板中使用的无源元件。

以下是确保量子计算机按设计运行所需的条件：

与环境隔离与集成

量子处理器及其包含的量子比特必须严格与环境隔离。当量子比特与周围环境（通过吸收光或热）发生相互作用时，量子比特的当前状态可能会丢失，从而产生错误。确保隔离需要使用高真空系统和制冷技术，以防止量子比特发生退相干。

这就是确保隔离所需的一些组件和系统：

• 超高真空泵

• 稀释制冷系统

• 低温恒温系统

• 电磁屏蔽

• 用于液氦和液氮制冷剂的管道

控制这些系统需要一个经典处理器来读取真空和温度测量值，并对真空功率和温度进行调整。这不需要大量的经典计算能力。一个典型的MPU或FPGA包含足够的处理能力来运行这些控制系统并确保隔离，以及向运行在经典计算机上的应用程序传递数据。继续放大视角，量子计算机的主柱周围可能有网络设备和其他系统，使其能够通过云与其他系统接口。直到最近，隔离要求一直是这一切的双刃剑。

2022年2月底，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员构建并测试了一个系统，该系统允许标准电路板上的商业组件与量子计算机中使用的超冷设备紧密相连。电路板级别集成的挑战在于，传统电子设备产生的热量可能会导致量子比特经历退相干，这会破坏量子状态并产生错误。这只是在系统级别集成量子和经典组件的第一步。

另一个近期的进展涉及到芯片级别的集成。2月初，洛桑联邦理工学院（EPFL）和日立剑桥实验室的研究人员设计了一个带有硅量子点的40纳米CMOS集成电路，以及同一芯片上的传统时域复用读出电路。虽然这不是一个通用处理器，但结果展示了使用标准CMOS工艺大规模构建量子计算组件的可能性。

量子处理器

量子计算机运行的主要组件是量子处理器。就像传统处理器一样，量子处理器有不同的类型（光子、自旋、离子陷阱等）。最近，离子陷阱量子处理器已被证明能为量子比特提供更大的隔离。此外，与其他处理器相比，它们在较低的量子比特计数下提供更大的计算能力。

截至2022年3月28日，您现在可以从QuantWare购买一台25量子比特的量子处理单元（QPU），QuantWare是荷兰代尔夫特大学孵化的一家公司。此前，该公司在2021年7月发布了一款5量子比特的现成处理器。QuantWare希望成为开发和生产小规模量子处理器的顶级芯片制造商之一。目前，他们的定制25量子比特量子处理器可以在30天内交付给客户。逻辑上，量子ASIC和量子SoC是下一个可用产品列表上的产品。

虽然QuantWare的新产品并不是有史以来唯一被创造出来的量子处理器，但它肯定是第一个作为现成组件商业上可用的。一些近期值得注意的量子处理器包括由英特尔、IBM、霍尼韦尔、中国科学技术大学和Rigetti宣布的系统。支持量子计算的硬件生态系统开始迅速增长，但这需要的不仅仅是量子处理器。

超导电路

量子处理器的输入和输出数据必须通过由超导材料制成的电路反馈到读出系统。这些接口和读出电路必须降温至约10 mK。仅供比较，宇宙的背景温度只有约3 K。最终，这些电路连接回读出系统（见下文），以便捕获数据。

超导材料（除了在低于约35 K的铜氧化物外）不是可以商业上获取的东西。用于量子处理器和读出互连的超导电路目前是定制的，但这些最终会与一组微波组件接口。这就是射频设计师及其使用的组件变得至关重要的地方。

相干微波源/探测器和同轴电缆

即使是量子计算机也已经成为专业组件短缺的受害者。在最近的MIT Technology Review文章中，Martin Giles感叹“如果不是那么难找到该死的电缆，我们会有更多的量子计算机。”尽管需要一些专门的超导电缆来传输数据，但它们最终连接回一组用于读出数据的经典组件。

在射频前端中使用的标准组件可以放在列的顶部，用于源信号、放大和捕获读出信号，然后通过高带宽/低噪声ADC转换成经典比特。这有点简化了，因为实际上会使用一系列的放大器、滤波器和探测器来调节和捕获读出信号。虽然量子被视为一套超先进的技术集合，给人一种需要先进射频组件的印象，但这些系统实际上是在中等毫米波频率下运行的。例如，英特尔的一个读出系统仅在20 GHz下运行，这完全在许多射频系统的操作范围内。

挑战与机遇

标准化

目前，用于量子计算机控制系统的所有传统电子设备都是由离散组件定制制造的。这些系统的集成将有助于微型化，正如经典计算机随时间发展所发生的那样。这一责任分配给了芯片制造商、电子设计师和量子系统集成商。芯片制造商不太可能很快就此采取行动，这就把集成控制和读出系统的重任放在了系统设计师身上。

要将这些技术商业化并推出新产品，它们必须能与传统电子设备和彼此互操作，这是目前正在积极追求的。使量子计算机互操作、更强大（这不仅仅是量子比特数的问题）和微型化，还需要采取模块化方法，这将通过更大的标准化得到实现。像量子经济发展联盟这样的组织（充分披露：我是他们的劳动力发展委员会的前成员）正专注于开发这些标准，以帮助更大规模的商业化。

组件的更大标准化将帮助更多的设计师参与开发支持量子计算的新系统。随着更多的量子组件和系统变得标准化和商业化，它们将更无缝地与更大的电子系统集成。目前，经典计算机用于控制和读出系统，以及将量子计算机连接到云端。

真实市场增长

至于未来几年的市场增长，市场规模的预测范围从8.3亿美元到2024年的50亿美元，我们正稳步朝着这个目标前进。华尔街已经开始关注，一些知名的量子计算公司在2021年通过数十亿美元的SPAC合并上市。这项技术是否被过度炒作或将带来下一波巨大的技术创新尚待观察，但设计师很可能很快就会看到一些首批商用可用的量子系统和开发工具。

随着量子计算机组件和系统的商业化，Octopart 将在这里为设计师提供供应链管理功能。无论您设计的是支持量子计算机的何种系统或子系统，Octopart 的搜索引擎都包括高级过滤功能，以帮助您精确选择所需的组件。查看我们的集成电路页面，开始寻找理想的组件。

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