量子计算是一种新兴技术，它利用支配宇宙最小尺度运行的物理规律来编码和处理信息。量子计算有潜力解决一些超出当今最强计算技术能力范围的问题。然而，构建一台能够实现这一承诺的机器长期以来都极具挑战性。如今，已经出现了几种不同的架构，为大规模运行量子算法提供了不同的路径。
量子计算的核心单元是量子比特，即Qubit。这些是物理对象，例如原子、电子或超导电路，它们固有的属性是量子化的，这意味着它们只能呈现离散（而非连续）的数值，我们可以将计算中的0和1编码到这些数值上。由于具备量子力学特性，这些数值还可以进入叠加态——即0和1的线性组合，并且彼此之间可以发生纠缠，从而使信息同时分布在多个量子比特上。量子计算机必须准备和操控量子比特的状态，并在计算结束时，将整个阵列测量为最终的比特串。
IBM目前正在研究两种量子计算硬件架构。第一种也是更为成熟的一种，基于超导transmon量子比特，它由超导电路制成——这种电路能够在无电阻的情况下传输电流，并可以呈现离散的能量状态。第二种较新的方法基于自旋量子比特，它将信息编码并存储在单个电子的自旋态中，并对其进行操控。IBM旗下公司HRL实验室一直在推进自旋量子比特的研究。
什么是自旋
自旋如何表示量子比特
自旋量子比特的比较优势是什么
什么是自旋
自旋是一种内在的量子属性，没有经典物理中的对应概念，尽管它的一些数学描述看起来与旋转的球体类似。电子自旋可以指向上或下，取值为正二分之一或负二分之一。当进行测量时，量子自旋永远不会取到这两个选项之外的其他值，这打破了与旋转球体的直接类比关系——旋转的球体可能转得更快或更慢，或绕着与你所测量的轴不同的轴旋转。自旋在原子、分子和材料中可以以多种方式呈现：多个电子协同作用可以呈现更高的自旋态，甚至在电子缺失（即"空穴"）的情况下也能表现出自旋。基于自旋的量子计算机将信息编码在一个或多个自旋的特定选定状态中。
使用自旋量子比特首先需要将一个或多个单独的电子限制在被称为量子点的结构中。HRL的量子点利用夹在硅锗层之间的一层硅，将电子限制在这层硅中的二维平面内。随后，我们在这个"异质结构"顶部制作的微型金属栅极上施加电压，将一个电子直接困于栅极下方。还有其他方法可以囚禁电子，比如使用不同的量子点结构，甚至利用植入的原子。
自旋如何表示量子比特
自旋量子比特架构有多种类型，以下两种最为常见：
在Loss-DiVincenzo自旋量子比特方案中，单个量子点囚禁一个电子，其状态通过微波脈冲进行控制。自旋指向的方向（向上或向下）存储量子比特的数值。相邻量子比特之间通过在栅极上施加电压脈冲，使电子的量子波函数短暂重叠，从而产生"交换"相互作用，实现纠缠。
纯交换量子比特则使用三个量子点（因而是三个电子）来表示一个量子比特。这种类型的量子比特可以完全通过电子-电子交换相互作用进行控制（不需要微波），使用与传统电子学类似的基带电压脈冲，尽管需要用到许多这样的脈冲。
HRL已经开发出一种基于纯交换量子比特的自旋量子比特架构，最近展示了一个包含54个量子点的完整系统，可配置为容纳多达18个量子比特，并在此系统上实现了一种简单的量子错误检测编码。与超导量子处理器一样，自旋量子比特也必须保持在稀释制冷机中的低温环境下运行。
自旋量子比特的比较优势是什么
自旋量子比特具备多项特性，使其成为量子计算领域有前景的候选方案。它们具有高门操作保真度，并且可以使用先进的半导体工艺进行制造，这使其有利于向许多量子应用场景所需的大规模量子比特数量扩展。自旋量子比特的运行速度相对较快——肯定比离子阱或中性原子更快。但在测量速度方面，它们不如超导量子处理器快。
或许最重要的是，由于纯交换量子比特仅依靠电压脈冲来执行门操作，这些量子比特只需要相对简单的控制信号。在HRL展示基础纠错能力的那篇论文中，量子处理单元完全由一块定制的CMOS芯片控制，该芯片工作在4K温度下，接近稀释制冷机中最冷的那一级。这大大减少了从室温端引出的必要连接数量，使未来系统能够更快速地扩展到更大规模。对于依赖微波进行控制的量子比特而言，这将是一个更大的挑战，因为这类硬件通常必须保持在室温下，并通过长长的同轴电缆连接到量子比特。
目前，基于自旋量子比特的量子计算机所拥有的量子比特数量不如超导量子计算机，并且在扩展规模方面仍存在挑战。我们正致力于利用Anderon的设施，使我们的量子比特更加均匀，并提高其制造良率。我们还必须降低控制器所需的功耗，并在扩展规模的过程中进一步整合所需的布线。我们正在开展相关研究，以应对这些挑战以及更多问题。
同时推进自旋量子比特和超导量子比特的研究具有比较优势。两者都基于半导体制造技术，因此在一个平台上制造工艺的进步可能对另一个平台也有所助益。此外，鉴于两者底层硬件平台的相似性，我们也对探索同时采用这两种量子比特架构的混合系统的潜力感到振奋。
最终，我们预计超导量子比特将先于自旋量子比特带我们进入容错时代，这一进程将从IBM Quantum Starling开始，并延续至IBM Quantum Blue Jay。然而，IBM同样在推进自旋量子比特的研究，以更好地理解它们可能如何为未来更大规模或成本更低的系统做出贡献。我们很高兴能将自旋量子比特纳入我们的技术组合，共同致力于将实用的量子计算带给世界。
