1.1 量子计算机体系各个物理进展
当前主流量子计算机均采用量子线路模型，量子线路的核心是量子比特（qubit）与量子门（Quantum Gate）的设计与执行。人们研究了许多可能作为量子计算载体的物理系统，如超导线路、离子阱、光晶格、固态自旋、量子点、腔量子电动力学系统、线性光学系统等，但截至目前，超导体系是较成功并广为接受的量子计算物理体系，紧追其后的则是展现了高保真度门操作、较大线路深度的离子阱系统。在量子计算机的硬件实现层面，超导体系与离子阱体系走在了前面。
目前量子计算机硬件已进入NISQ（Noisy Intermediate Scale Quantum）时代，即无检错纠错、中等尺寸（几十个量子比特）的量子计算机，但NISQ距离实际应用尚有距离，使用量子计算机解决实际问题所要求的线路深度，相较于当前量子门的保真度而言，仍显得太大。当前各个物理体系两比特门的保真度勉强做到大于99%，这意味着，倘若需要处理一个实际问题，线路深度将导致量子门的误差逐层累计，最终导致结果的正确率低得不可接受。以谷歌公司2019年演示“量子霸权”的悬铃木量子计算机为例，该超导体系的量子计算机以小于1%的两比特门错误率执行深度为20的量子线路，最终结果的正确率不到五百分之一。谷歌公司的科研人员必须重复运行线路数百万次以获取结果的统计分布，才能从中统计出正确结果。
首先，量子计算机面临的最大问题是退相干（Decoherence），即环境噪声与量子比特的耦合。相干时间（Coherence Time）是衡量一个物理系统抵抗外界噪声的能力，即系统中的量子比特在噪声影响下退相干之前能维持多长时间。相干时间与量子门执行耗时的比值，直接决定了量子门线路的深度规模。其次，还需要考虑量子门操作的保真度，一般来讲，单比特门保真度大于两比特门保真度，技术层面需要关心的往往是两比特门保真度，下文的保真度默认为两比特门保真度。由于量子门误差随着线路深度的累积，当给定了最终结果的正确率要求时，量子线路深度越大，对门的保真度的要求就越高；或者说，门的保真度越低，能执行的线路深度就越小。量子门操作的保真度和最终结果的正确率要求间接地限制了量子门线路的深度规模。最后，也是最基本的技术问题——量子比特的可扩展性，即最多能制备多少个全连接或至少邻近连接的量子比特，这里所谓的“量子比特的连接”是指能在这两个量子比特之间执行两比特门。综上所述，接下来将从可扩展性、相干时间、量子门保真度、量子门执行耗时这几方面衡量几个主流的量子计算物理体系。
（1）超导体系：作为当前最流行的实现方案之一，IBM和谷歌公司已经分别实现了65量子比特和54量子比特的超导量子计算机，如图1-1所示。中国科学技术大学团队也实现了66量子比特超导量子计算机，如图1-2所示。为了减少环境噪声，超导体系必须借助稀释制冷机将超导线路的环境温度冷却到约20mK[2]，其相干时间为50～200μs[3]，门操作的执行耗时为10～50ns，保真度最高可达99.4%[4]。谷歌的54量子比特超导量子计算机只能在阵列中相邻量子比特之间执行两比特门[4]，属于最近邻连接的结构，在邻近连接的意义上可扩展性很好。
图1-1 封装好的谷歌悬铃木54量子比特超导量子计算机
图1-2 祖冲之号66量子比特超导量子计算机
（2）离子阱体系：美国IonQ公司和奥地利AQT公司分别实现了79量子比特和20量子比特的离子阱量子计算机。离子，如钙离子40Ca+，以一维离子链的形式被束缚在线性Paul势阱中，将每个离子外层价电子的两个长寿命态组成一个量子比特，这种量子比特的相干时间约为50s。借助离子振动模式之间耦合，以约99.9%的保真度实现任意两个量子比特之间的两比特操作，耗时为3～50μs，但这种全连接两比特门只在离子链长度不太长时成立。
（3）硅量子比特：也称为半导体量子点体系，建立在已经高度成熟的CMOS半导体技术基础上，目前实验上实现了简单的两比特体系，相干时间可达秒量级[6]，并且实现了保真度约为90%，耗时约为800ps的快速两比特交换门[5]。得益于半导体领域成熟的微纳制造技术，半导体量子比特有着极佳的扩展性，但在门的保真度方面仍需进一步探索。
（4）光量子体系：利用光子作为量子比特，光子天然适合用于量子信息处理，因光子难以与其他粒子耦合，并且便于远距离传输，而集成光子学技术使光量子体系具有更好的可扩展性，目前已成功在硅基光量子集成线路中实现了保真度98%的受控非门[7]，但文献[7]中的方案需要的分束器、移相器数目会随着量子比特数呈指数增长，因此只适用于中小规模量子线路。虽然光子自身的性质带来了更长的相干时间，但代价是光量子体系的两比特门难以实现，往往要借助光学非线性晶体或者采用辅助光子测量后选择的方案，而非线性晶体对光子的吸收是损害保真度的一大因素，采用测量后选择方案又需要大量的辅助光子。最后，现有技术下的单光子探测器量子效率并不算高，这将降低量子信息的读出成功率。综合看来，光量子体系仍有许多技术难题亟待解决。
（5）拓扑量子计算体系：尚停留在理论层面，由于理论结果显示了其强大的抗干扰能力，预计量子门操作保真度可达约99.9999%，人们一直在寻找合适的物理系统以实现拓扑量子计算，其中马约拉纳费米子是有望率先实现该理论方案的体系。
展望未来几十年，一方面，量子计算的发展目标将是依托各种技术进步，发展量子检错纠错、抗干扰技术，逐步实现容错量子计算（FTQC），这个过程可能会十分漫长，甚至耗费数十年；另一方面，也将在现有技术水平的限制下，努力寻找量子计算的应用场景，让NISQ量子计算机也能最大化地发挥作用。