量子计算是目前量子信息科研界和产业界都炙手可热的话题。欧盟“欧洲量子技术旗舰计划”官网2023年发布的，介绍了最有发展前景的几类量子计算硬件平台，并分别规划了六年发展路线（短期2024-2026，长期2027-2030）。墨子沙特编译精华部分以飨读者，并在结尾做了点评。
量子比特，作为构建量子计算机（Quantum Computers，QC）最基础的单元，研究人员正在探索不同的解决方案，尚不清楚哪种技术最终会被采用。
在已有的量子比特平台中，有些能够在NISQ（Noisy Intermediate Scale Quantum，嘈杂中型量子）阶段有效运行，或优化特定用途的量子计算机，而有些则可能提供大规模集成的途径，实现FTQC（fault-tolerant quantum computers，容错量子计算机）。
01
发展相对成熟的体系
超导量子比特
超导量子比特是量子计算中最成熟的技术之一。它以电子电路为基础，这些电子电路由超导材料制成，在基板上模块化，组成一个非线性元件（通常是约瑟夫森结），用于设计电路的能级。
超导量子比特由人造的、宏观的量子设备组成，具有很强的工程灵活性。自其问世以来，它们的相干时间已经提高了五个数量级。目前主要挑战在于如何解决其对电离辐射的敏感性和相对较大体积的问题。
最常见的超导量子比特是传输子量子比特，其中不同的能级对应超导岛上的特定整数的库珀对。由于相较于以前的技术（如磁通量子比特和相位量子比特），传输子量子比特具有更强的抗噪性，已成为行业标准。它们被用于当今最大的量子计算机（就量子比特数量而言），并且拥有数百微秒的寿命。
最近出现了两种重要的新方法，有望达到更长的寿命和更好的门保真度。第一种方法是开发比传输子量子比特更有效地与环境隔离的电路，能够更长时间地保存量子信息。这包括fluxonium qubit（用环形电路的磁通量作为量子比特,已经证明了有几毫秒的寿命）或零π量子比特。第二种方法叫做玻色子编码，是利用电路在谐振器（如电磁波或声波谐振器）中稳定量子态并主动纠正一些错误。这包括猫量子比特或GKP（Gottesman Kitaev Preskill）量子比特。玻色子编码通过显著减少硬件需求为实现FTQC提供了一条捷径。
利用超导电路的灵活性，科研人员可以工程化其量子属性和接口，从而开发多种NISQ架构。超导量子比特已经集成到了多达120个量子比特的大型系统中，这些系统已经跃过了“超越经典”基准，同时也集成到了目前正在进行测试的超过 400 量子比特的更大系统中。（编者加：此为截止到2022年的情况，实际上，2023年底，IBM发布了拥有1121个量子比特的Condor芯片，并发布的全球首个模块化可大规模实用化的量子计算机系统 “量子系统二号”，通过芯片间互联，旨在进一步扩大量子系统的规模。）超导量子比特还展示了量子纠错的主要组成部分，包括第一个逻辑量子比特操作。
但在大型集成系统中始终保持这种控制力从而执行NISQ和FTQC，依然是一个挑战。
发展目标和建议
短期：推动技术朝向NISQ计算和用于容错量子计算机（FTQC）的量子纠错（Quantum Error Correction，QEC）的基本演示迈进；专注于材料技术和加工技术，以生产更好、更可靠的组件，设计更低误差的计算门。
中期：继续推动技术朝向NISQ计算和用于容错量子计算（FTQC）的QEC的基本演示迈进，并在这个水平上确定可扩展的表征技术和系统工程瓶颈；同时，基本设备技术必须继续寻找更好的概念，以实现更低误差的计算门。
光子量子比特
光子量子比特基于单个光子（离散变量路径）或特殊的光压缩态（连续变量路径），具有非常低的退相干效应，这是量子计算的重要优势。另一个显著特征是光子量子比特的移动性，允许在计算过程中实现长距离门以及额外的量子比特生成。光子量子比特还具有出色的可扩展性前景，因为它们与光子集成电路（photonic integrated circuits，PICs）兼容。
虽然在离散变量路径中，双量子比特光子门并非确定性的，但在连续变量路径中，两个压缩态可以确定性纠缠。已经有一些突破性的光子量子计算方案，如高斯玻色采样或基于测量的量子计算（measurement-based quantum computing，MBQC），来减少构建逻辑量子比特所需的组件费用，并为FTQC开辟道路。
在物理层面上，光子量子计算架构仅基于线性光学组件，如光源、复用器/解复用器、开关、相移器和探测器，无需量子存储器。
在离散变量框架中，首要的挑战与量子比特源相关，这些源必须同时具有高亮度、高单光子纯度和高光子不可区分性。在连续变量框架中，主要目标是构建具有大量（数百个）纠缠压缩光态的簇态。
在探测方面，需要有近单位效率、低噪声、低时间抖动和低延迟的高性能单光子探测器，实现前馈兼容下的高速运作。超导纳米线单光子探测器是这一目的的首选技术。虽然量子处理器本身可以在室温下运行，但超导纳米线单光子探测器所需的最低温度仍然高于1K，从而限制了低温需求和能耗。
关于光子量子比特的处理，一个关键挑战是开发一套具有接近零插入损耗的被动集成组件；允许高量子计算深度；开发低损耗的快速开关，满足MBQC所需的主动前馈需求，且与低温探测器的操作兼容，以实现两种组件的无缝集成。
光子量子计算的路线图始于展示只有少量量子比特的NISQ量子处理器。下一个目标将是建造具有数十量子比特的容错量子计算机（FTQC）。长期目标是构建具有大量量子比特（数十万个物理量子比特）的通用容错量子计算机。最终，光子量子计算的一个重要推动力将来自实现两个光学光子量子之间的高效量子逻辑门。目前看来，多种途径都具有可行性，这些途径通常基于超高精细度光学腔内的原子或量子点，尽管这些实验仍处于概念验证阶段。
发展目标和建议
短期：开发具有高效率、高纯度和高不可区分性的单光子和压缩光源；高效生成、增强光子的纠缠团簇态的保真度（在时间和/或空间上编码）；开发具有接近零传输损耗和耦合损耗的集成电路，嵌入数千个被动组件；开发互相兼容波长的IC和光源；开发高保真度的双比特门，特别是光学光子量子比特之间的确定性双比特门；开发具有接近单位效率和高操作速度的单光子探测器，与前馈实现兼容等。
中期：进一步提高确定性单光子源的性能，将其效率提升至超过80%（即增加光学模式中的产生速率），并使单光子的纯度（不可区分性）接近100%；开发快速集成开关；开发具有接近单位效率的单光子探测器；光子量子处理器实现主动前馈，从模块化到高度集成的平台；运用少量逻辑量子比特纠错功能。
02
展现独特生命力的体系
离子阱量子比特
离子阱量子比特基于被约束在势阱中的原子离子（如Be+、Ca+、Sr+、Ba+、Yb+）。高保真度和长相干时间是这项技术性能方面的关键。传统上，离子阱一直在室温下运行。如今，基于微加工离子阱芯片的系统通常在低温下运行，以达到更好的真空度，并抑制来自势阱的电噪声。
量子比特被编码在离子的内部态中，有三种主要策略：
两个电子态，通常是基态和一个亚稳激发态，在光谱中的能量差在数百THz范围；两个超精细能级，其能量差在GHz范围；基态的两个塞曼亚能级，其能量差在MHz范围。
离子阱的优点在于：离子形成自排列晶体，因此可以对每个粒子进行单独寻址。利用晶体的共同激发模式来实现门，这些模式可以通过激光光束来激发，从而施加态相关的力。由于相互作用是通过晶体的振动模式介导的，所以这些相互作用不仅限于邻近粒子；晶体中的任何离子都可以与其他任意离子以高保真度形成纠缠。激光控制量子比特比微波操作更快，但微波控制相比激光控制，在扩展到更多量子比特时具有决定性的优势。基于离子对环境的出色屏蔽效果和易操控性，离子阱已经达到了容错级别的控制，实现了超过1小时的相干时间，并在各种平台的基准测试中处于领先地位。
离子阱的主要弱点是粒子数量级的扩大很复杂。目前基于离子阱的量子计算机硬件可以控制约100个量子比特，可以是一维晶体，也可以分布在多个阱区域，在早期阶段进行二维控制。
发展目标和建议
短期：找到可扩展的解决方案，例如设计新的势阱、设计新的模块化结构、优化芯片阱中离子穿梭的方法；进一步降低初始化、读取、操作以及门速度的错误率和时间；为量子处理器之间的互连做准备；探索更好地将光学、光子学和电子组件与离子阱集成的方法，以增强可扩展性；在未来几年内，预计将实现大量量子比特的纠错，加强与高性能计算资源可靠的集成。
中期：实现一个完全集成的可扩展量子设备，包括相互连接（或分段）的陷阱、控制电子和光学器件，制造过程要求可靠、工业上可行以及可扩展。这些设备应能够支持几千个量子比特，具有超越一维阵列的离子控制，有望实现扩展到数万个量子比特。
中性原子量子比特
中性原子量子比特基于囚禁的里德堡（Rydberg）原子。被囚禁在可编程的光镊阵列和/或光学晶格中的超冷中性原子提供了具有可控连接性的量子寄存器。量子信息被编码在自旋或电子自由度（编者注：电子超精细能态）上。
单量子比特门通过微波和激光控制脉冲实现，而双量子比特纠缠门则通过激发到高能里德堡态实现。
归功于量子光学和频率计量学领域的技术，该平台不仅能够进行模拟和数字量子计算，且具有提供最大可扩展性（超过数千个量子比特）和最长相干时间的潜力。此外，与基于离子的量子比特一样，中性原子量子比特可以在室温下操作。另一方面，主要受到量子比特阵列准备和破坏性读出所需时间的限制，该平台的重复率目前低于其他平台。截至目前，大约100个量子比特和保真度>99%（编者注：实为99.5%）的双量子比特门量子寄存器已成功演示。这些数字随着时间的推移迅速增大，到目前为止还没有发现可扩展性和保真度的根本性的限制。
与固态量子比特等其他技术相比，经典电子硬件的交互界面更加复杂，并且需要复杂的最新光学设置，也需要集成方案以实现可扩展性。
发展目标和建议
短期：通过开发改进技术，实现对光镊阵列中的单个原子的确定性加载，或开发新技术重新排序部分加载阵列，以减少准备量子比特阵列所需的时间；实现更快速、高保真度的成像和新颖的非破坏性读出技术，进一步提高重复率；提高局部寻址能力，以操作单个量子比特和量子比特对；设计稳健可靠的光学、光电子和电子组件。
中期：开发可靠的低温装置，大大提高光镊中原子的寿命，从而提高双量子比特门的保真度；通过探索新的激发方案和开发更强大、更可靠的紫外光谱范围内的激光源，改善里德堡激发的质量；开发全光纤或集成光学系统的新解决方案。
03
其它各具特色的体系
基于半导体的量子比特
在电荷半导体量子比特中，量子信息被编码在电子自旋中。到目前为止，研究人员已经探索了几种不同的实现方式，如受限于掺杂杂质的自旋，或通过静电控制限制于量子点电荷的自旋。量子比特态可以编码在单个或多个量子点上。自旋操控可以通过直接与磁场相互作用、通过电流线或使用微磁铁，或者通过与电场相互作用实现。通用量子逻辑是通过电信号来实现的，这些信号能够一致性控制自旋状态和相邻电子（或空穴）自旋之间的交换相互作用。
半导体量子比特可以通过短、中、长程量子连接进行耦合，从而提供了一个高度灵活的平台，有潜力容纳最有前景的量子纠错（QEC）方案。今天实现的中程和长程耦合，使用谐振器，提供了极大的架构灵活性，可以将单个量子比特集群或小/中型量子处理器（QPU）耦合在一起，实现大规模量子计算。
半导体量子比特的研究时间相对较短，但这项技术最终可能具有强大的延展性，并且近年来已经取得了显著进展，特别是使用硅基和最近的锗基结构，以实现高保真度的单比特和双比特门。
在设备结构方面，半导体量子比特与传统晶体管有重要的共同之处，它们可以使用半导体工业的先进工具和技术进行制造。利用半导体工业的强大技术背景，基于半导体的量子比特也将受益于最先进的技术突破，基于半导体的QPUs可以被想象成是量子核心与其低温电子控制设备的三维或单片集成。
发展目标和建议
短期：聚焦具有可扩展架构的小型量子处理器的高保真运行，以勾画通往大规模量子计算的可扩展路线图；用先进的半导体制造技术制造量子比特芯片；优先生产更有序、高产出和可重复性的设备；专注于实现真正可能达到高连接性并探索量子比特寄存器重排技术优势；研究分布式量子计算的机会，达到高连接性；探索低温系统的规模扩大化。
长期：重点提高量子比特的质量、数量和互联性；将量子和经典硬件集成，开发可扩展到非常大数量（最终可能达到数百万）量子比特的量子处理器；制定通向容错量子计算的路线图。
色心量子比特
色心量子比特由宽带隙半导体中的各种光学活性缺陷组成。在量子比特数量、控制保真度等方面，目前最先进的体系是金刚石中的氮-空位（NV）色心。作为下一代平台，有潜力超越NV色心的其它各种色心量子比特目前也被大量研究开发中，包括：金刚石中的硅-空位（SiV）和锡-空位（SnV），二空位（VV），碳化硅中的硅-空位（VSi）以及硅中的T中心。这些比特在物理和量子控制上都具有相似特征，兼具强大的兼容性，同时每种比特都具备独特的优势和机会。
色心量子比特的一些关键特性包括：提供高质量量子比特的基态电子自旋，通常可以通过微波脉冲进行控制（门保真度>99.9％，相干时间> 1秒，已实现）；激光可初始化和测量电子自旋量子比特，自旋-光子纠缠使得通过光子接口将色心连接在一起成为可能；每个色心都以核自旋的形式提供了额外的量子比特，使得每个色心成为一个天然的多比特系统；固态宿主材料具备可通过集成光学和电子学实现可扩展的潜力。
对色心量子比特来说，可以在高温下工作，例如NV中心即使在室温下也能够一直保持着优异的自旋相干性。
色心量子比特的最新成就是验证了诸多量子处理器的基本功能。
要构建更大系统，主要有两个方法。第一种方法是通过光学互连连接许多小型（2-10量子比特）系统模块。这种方法从模块化（连接独立模块）中获得可扩展性，通常预计需要低温。其关键优势在于光学互连可以实现灵活的拓扑结构联接，因此可以实现各种类型的量子纠错码，包括如低密度奇偶校验码等。第二种方法是通过创建量子比特阵列，利用色心量子比特之间的直接自旋-自旋相互作用。由于这种方法不需要光学互连，因此可以在室温下操作。进一步这些方法也可以联合使用。
对于这两种方法，目前的主要难题是实现通向大规模系统（~1000个量子比特及以上）的路径。这需要强力推进器件集成，同时需要进一步提高量子比特控制的保真度。
发展目标和建议
短期：重点关注器件制造和集成，这对于未来实现可扩展性至关重要；使用可扩展制造方法，制定一个实现1000量子比特系统的蓝图/路线图；使用集成设备展示高效的量子纠缠光学互连；展示可重复制造耦合的色心量子比特系统；展示具有高保真度控制(> 99%)的小规模量子设备（20-100量子比特），对门保真度和量子纠错操作进行基准测试。
中期：聚焦于通过设备集成实现可扩展的制造和控制；对容错量子纠错进行基准测试。展示高于阈值的操作保真度；展示具有100-1000个量子比特的中等规模量子处理器的操作，保真度高于99%。
混合量子系统
混合量子系统的基本原理是利用两种不同的量子系统耦合在一个单一的实验装置中。混合量子系统的例子包括原子、离子、掺杂剂或人工原子（例如量子点）与光子腔耦合，甚至是原子-离子系统。复合系统的优势在于，两个量子系统之间产生的相互作用可以作为一个新的参数来引导量子演化，并实现门或量子非破坏读取方案。混合系统在开发新的量子计算架构方面具有巨大潜力，这些架构使用相互作用来实现门。
与均匀的量子系统相比，混合量子系统的优势在于能够融入更多的变量。这种扩展的“量子工具箱”有可能引导新的和先进的量子计算架构的发展。然而，它最大的缺陷是生成混合量子系统可能需要更复杂的设置，和对实验参数更高度的控制。
在过去的几十年中，已经实现了几种类型的混合量子系统。原子或类原子自由度与光子在腔中的耦合促使实现了量子模拟、光子介导的远程相互作用和纠缠，或量子非破坏测量的实验演示。原子-离子混合系统已被降至极低温度，并通过使用费希巴赫（Feshbach）共振实现了原子-离子相互作用的相干控制。
发展目标和建议：
短期：增加与腔耦合的原子/离子的相干时间；开发新的架构，增加与腔耦合的原子/离子的数量；在原子离子系统中展示具有非弹性碰撞控制的相干演化。
中期：展示首个采用多量子系统的可有效运行的量子计算架构；通过光子链接使超过两个量子系统的相互耦合。
04
其他相关技术
分子自旋比特基于磁性分子中的电子自旋和核自旋，例如钒基化合物、反铁磁环或富勒烯C60分子以及碳纳米管。
拓扑比特基于编织任意子，如马约纳拉准粒子。早在大约二十年前就有预测，在拓扑超导体的边缘或漩涡核心出现的零能量准粒子在行为上类似于马约纳拉准粒子。然而，至今尚无对马约纳拉准粒子明确的观测。
这些不同的硬件模式共同的目标是：
增强NISQ处理方案的错误缓解方法，实现更深入的算法，进一步向容错的通用量子计算迈进；
增加量子比特的数量、密度和连接性，同时展示性能的改善。提高量子比特的质量，包括更好的相干时间和门保真度；
设计并实施新的架构，结合新的组装技术，确保量子硬件的模块化生产，从而有利于未来大规模生产量子计算设备；
确保量子计算机在经典高性能计算机数据中心中可靠且可用，同时确保其能效；
开发工业标准的制造设施，可以组装和集成大型高质量的量子处理器；
展示不同量子计算机之间的互联和信息交换；
推动对QC中使用的高要求组件和技术扩展行业的增长，以提高标准化并降低生产成本。
小墨点评
量子计算，作为“第二次量子革命”的重要部分，是一类新兴的、正在蓬勃发展、持续变化的技术。从上世纪八十年代，基本概念提出，到今天科学家们沿着不同技术路线，想要在物理上实现它。对它的讨论、争议一直存在，不同物理体系之间的竞争也如火如荼。
曾经，谷歌的超导量子计算首次实现量子计算优越性，但很快，这个优越性不复存在；去年底，IBM的超导量子处理器Condor在量子比特数目、容错率等方面，展示出了希望，同时发布了全球首个模块化可大规模实用化的量子计算机系统“量子系统二号”，通过芯片间互联，可进一步扩大量子计算规模；几乎同时，中性原子计算异军突起，哈佛和麻省理工的团队，研发的48个逻辑量子比特原型机，在纠错和逻辑操作等方面，被看作具有里程碑意义。
所以，量子计算是一个快速发展、充满变数、道阻且长的未知国度。
今天给出的预测和线路图，都仅仅是一种设想，未来还有无限可能，同时存在很多困难和挑战。就如同IBM自己发布的线路图也始终不断在更新。
针对这次欧盟发布的2023年发布的量子旗舰计划，我们也不妨开放的看待，对于量子计算这样充满未知的技术领域，很多专家也给出了不同观点。
比如，有专家指出，对中性原子来说，激光控制在扩展到更多量子比特时相对微波更具有优势。
而在离子阱方面，有专家认为，其最关键的优势之一其实在于，离子系统高精度和高连通性的特点意味着其非常适用于高效的量子纠错编码，可以节省物理比特数目，但2030年，离子阱量子计算设备能够支持上千个量子比特，是比较现实的期待，几千个的预期过于乐观了。
事实上，我国在量子计算方面成果斐然，“九章”和“祖冲之”的优异表现，已经展现出，在光和超导两个技术路线上，我国都实现了量子计算优越性。目前，正在研发中的“九章四号”预计将做到3000个光子的规模，而超导，作为在数量和质量均衡性较好的体系，一直受到各国科学家的青睐，我国科学家的“祖冲之号”系列，目前实现了最大规模的51比特纠缠，同时近年来，中国科大、南方科大、清华等团队，也在保真度方面进行公关，为量子计算的纠错、容错、可扩展做出了贡献。
在离子阱这样的发展最早、操纵精度最高的体系上，我国科学家也精准布局，甚至拓扑量子比特，我国科学家也进行了量子模拟方面的基础性探索。小墨和大家一起期待它们的表现。
参考文献
【1】https://qt.eu/media/pdf/Strategic-Reseach-and-Industry-Agenda-2030.pdf?m=1707900786&
【5】Yu-Hao Deng et al.,Gaussian Boson Sampling with Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors and Quantum Computational Advantage. Phys. Rev. Lett. 131, 150601.
【6】Han-Sen Zhong et al.，Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light. Phys. Rev. Lett. 127, 180502.
特别感谢：中国科大的邓宇皓、关卉杰、龚明、荣星、吴湛、张颉颃等老师在本文编译过程中提出的专业意见。
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