【有一个小问题：谷歌的量子芯片Willow是CPU吗？记得超导CPU体积有一间屋子那么大？】

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2024-12-11 21:35

如题，谷歌的量子芯片Willow是CPU吗？记得光一个超导CPU加上制冷设备体积有一间屋子那么大？
如果谷歌的量子芯片Willow是真的，最着急的应该是英伟达吧，wg刚制裁了它

zyz1993 编辑于 2024-12-11 21:38

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2025-02-21 19:48

关于微软Majorana 1芯片“未完全验证的拓扑特性”的争议，涉及量子物理学的核心理论与实验验证的差距。以下是深度解析：---### **一、争议的核心：什么是“拓扑特性”需要验证？**在量子计算中，**拓扑保护**是Majorana量子比特的核心卖点。理论上，**马约拉纳零模准粒子（Majorana Zero Modes, MZMs）**的量子态信息存储在其空间分离的端点，其拓扑特性使得量子信息对外界扰动具有免疫力。验证这一特性需要证明：1. 系统中确实存在**拓扑超导态**（而非普通超导态）；2. 观测到的准粒子行为符合**非阿贝尔统计**（交换粒子会改变量子态的整体相位）；3. 量子态的※※※性源自拓扑机制，而非其他偶然因素。目前微软的实验结果仅部分满足这些条件。---### **二、微软已公布的实验证据与不足**#### **1. 实验现象：电导峰与零偏压异常**- **微软的观测**：在砷化铟纳米线与铝超导体组成的器件中，低温下测量到**零偏压电导峰**（Zero-Bias Conductance Peak, ZBCP），这被认为是MZMs存在的标志。- **质疑点**：ZBCP也可能是由普通**安德烈夫束缚态（Andreev Bound States）**或材料缺陷引起。例如，荷兰代尔夫特理工大学2018年的实验曾误将类似现象归因于MZMs，后续研究发现是假阳性。#### **2. 量子化电导缺失**- **理论要求**：拓扑超导态中的MZMs会导致电导值量子化（接近$2e^2/h$），但微软未明确展示这一量子化现象。- **可能的解释**：材料界面缺陷或杂质导致电导值偏离理论预期，使得实验结果无法排除非拓扑机制。#### **3. 非阿贝尔统计未验证**- **关键实验缺失**：验证MZMs的“金标准”是观测其**非阿贝尔统计特性**（例如通过编织实验*Braiding*）。微软目前仅通过静态测量（如量子点电容检测）推断MZMs存在，但未展示动态操控下的统计行为。- **对比案例**：2020年加州大学圣塔芭芭拉分校团队在类似器件中尝试编织实验，但因噪声干扰失败，说明动态验证难度极高。---### **三、学术界质疑的具体方向**#### **1. 材料体系的复杂性**- 微软的拓扑导体由砷化铟（半导体）与铝（超导体）异质结构成，其界面可能存在未被识别的**边缘态**或**无序散射**，这些因素可能模仿拓扑超导体的行为。- **类比争议**：石墨烯超晶格中的“赝磁场”现象曾被误认为拓扑效应，后证实是晶格形变导致。#### **2. 实验数据的多解性**- 微软通过微波反射测量量子点电容变化，间接推断MZMs存在。但该信号也可能源于**电荷涨落**或**自旋轨道耦合效应**，与拓扑特性无关。- **案例**：2021年《自然·物理》一篇论文指出，某些一维系统中的局域态可产生类似MZMs的信号，但实际是平庸（非拓扑）态。#### **3. 理论模型的简化假设**- 微软的理论模型基于Kitaev链（一维拓扑超导体模型），但实际器件是三维材料的低维结构，可能存在未被纳入模型的**多体效应**或**维度交叉影响**。---### **四、验证拓扑特性需要哪些关键实验？**学术界普遍认为，微软需完成以下实验才能确证拓扑特性：| **实验类型** | **目标** | **微软进展** ||----------------------|-------------------------------------------------------------------------|-------------------------|| 非阿贝尔编织实验 | 交换两个MZMs的位置，观测量子态相位变化 | 未尝试 || 分数化电导测量 | 观测电导值稳定在$0.5 \times 2e^2/h$（拓扑超导体的特征） | 数据未达到理论值 || 拓扑量子比特纠错测试 | 展示量子比特在噪声环境下的错误率显著低于传统架构 | 宣称低错误率，但未公开对比数据 || 材料原子级表征 | 通过扫描隧道显微镜（STM）直接观测拓扑超导态的电子结构 | 未公开相关结果 |---### **五、争议背后的科学意义**1. **物理学层面**：若微软的器件被证实为拓扑超导体，将是继石墨烯、拓扑绝缘体后的又一里程碑，可能开启**三维拓扑超导体**研究的新方向。2. **工程层面**：即使最终证明MZMs不存在，微软开发的极低温纳米线操控技术仍可推动半导体量子比特的发展。3. **行业竞争**：谷歌、IBM等公司押注超导量子比特，若拓扑路线被证伪，可能影响微软在量子计算领域的战略布局。---### **总结：一场科学与工程的博弈**微软的Majorana 1芯片处于“实验现象符合理论预期，但核心证据链不完整”的灰色地带。其争议本质是**科学严谨性**与**工程实用化**的冲突：学术界要求100%的理论验证，而工程界可能接受“足够好用”的近似。未来需通过独立团队复现实验或微软公开更完整数据，才能平息争议。这场博弈的结果将深刻影响量子计算的技术路线选择。

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2025-02-15 10:37

量子芯片中的约瑟夫森结（Josephson Junction）和SQUID（超导量子干涉装置，Superconducting Quantum Interference Device）密切相关，两者均是超导量子比特的核心组件，但在功能和应用场景上有所不同。以下是它们的关联及具体作用的详细解析：
---
### **1. 约瑟夫森结：量子比特的非线性核心**#### **(1) 结构与功能**- **物理结构**：由两片超导体（如铝或铌）夹一层极薄的绝缘体（如氧化铝）构成。- **核心特性**：  - **非线性电感**：提供量子比特能级的非谐性（Anharmonicity），确保量子态可分辨（如Transmon量子比特的能级间隔差异）。  - **量子隧穿效应**：允许超导电流以量子隧穿形式通过绝缘层，形成宏观量子现象。- **应用场景**：  - 作为量子比特的核心元件（如Transmon、Fluxonium的设计）。  - 实现单量子门操作（如通过微波脉冲驱动能级跃迁）。
#### **(2) 量子比特中的角色**- **能量调控**：约瑟夫森结的约瑟夫森能量（$E_J$）与电容能量（$E_C$）的比值（$E_J/E_C$）决定了量子比特的类型：  - **Transmon（$E_J \gg E_C$）**：对电荷噪声不敏感，适合作为主流超导量子比特。  - **Fluxonium（$E_J \sim E_C$）**：通过大电感引入更多能级，适合特定量子模拟任务。
---
### **2. SQUID：磁通敏感的调控工具**#### **(1) 结构与原理**- **物理结构**：由两个约瑟夫森结并联形成的超导环路（通常为铌或铝）。- **核心特性**：  - **磁通敏感性**：穿过环路的磁通量（$\Phi$）会调制约瑟夫森结的有效能量，满足关系式：    \[    E_J^{\text{eff}} = E_J \cos\left(\pi \frac{\Phi}{\Phi_0}\right)    \]    其中$\Phi_0 = h/(2e)$为磁通量子。  - **可调性**：通过外加磁场或电流控制环路磁通，实时调节量子比特参数。
#### **(2) 在量子芯片中的作用**1. **量子比特频率调节**：   - 通过调节SQUID的磁通，改变量子比特的约瑟夫森能量，从而调整其能级间隔（频率）。   - 例如：Transmon量子比特的频率可调范围通常为4-6 GHz。
2. **可调耦合器**：   - 将SQUID作为两个量子比特之间的耦合元件，通过调节磁通动态开关或调节耦合强度。   - 优势：减少串扰，支持灵活的量子门操作（如CNOT门的按需激活）。
3. **磁通量子比特（Flux Qubit）的核心**：   - 直接利用SQUID环路的磁通状态编码量子信息（如早期的Flux Qubit设计）。
4. **读取量子态**：   - SQUID作为超导量子干涉仪，可检测量子比特状态引起的微小磁通变化（如相位量子比特的读取）。
---
### **3. 约瑟夫森结与SQUID的协同关系**#### **(1) 量子比特设计中的组合**- **Transmon与SQUID的结合**：  - 传统Transmon使用单个约瑟夫森结，但通过引入SQUID可使其频率可调。  - 例如：**可调Transmon**通过SQUID调节$E_J$，成为频率可调的量子比特，支持动态多比特耦合。
- **Fluxonium量子比特**：  - 使用大电感与SQUID结合，形成复杂的能级结构，适合探索强关联量子现象。
#### **(2) 量子门操作中的协同**- **磁通驱动门**：  - 通过SQUID施加快速磁通脉冲，调节量子比特频率，实现Z旋转门（如IBM的“参量驱动门”）。- **可调耦合门**：  - 使用SQUID作为耦合器，动态开启/关闭量子比特间的相互作用，实现高保真度双量子门（如CNOT门）。
---
### **4. 实际芯片中的结构示例**#### **(1) 可调Transmon量子比特**```        SQUID环路       ↗        ↖约瑟夫森结1    约瑟夫森结2       ↘        ↙        电容```- **功能**：通过外部线圈施加磁场，改变SQUID环路的磁通，调节量子比特频率。
#### **(2) 可调耦合器设计**```量子比特A ── SQUID耦合器 ── 量子比特B```- **功能**：调节SQUID的磁通，控制A与B之间的耦合强度$g$，实现按需纠缠。
---
### **5. 技术挑战与解决方案**| **挑战**                | **解决方案**                              ||-------------------------|------------------------------------------|| **磁通噪声**            | 使用对称SQUID设计、磁屏蔽材料（如μ金属） || **频率漂移**            | 动态反馈控制环路磁通                     || **制造一致性**          | 电子束光刻技术提升约瑟夫森结均匀性       || **热耗散**              | 低温CMOS控制器减少热链路干扰             |
---
### **6. 总结**- **约瑟夫森结**是超导量子比特的**非线性核心**，提供量子态的非谐性。- **SQUID**是**磁通敏感的调控工具**，通过调节磁通实现量子比特频率调节、耦合控制及状态读取。- **两者关系**：SQUID由约瑟夫森结构成，并通过磁通调控扩展了量子比特的功能性，使得超导量子芯片具备动态可调、高保真操作的能力。这种协同设计是超导量子计算实现可控性和可扩展性的关键。

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2025-02-15 10:34

量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）是构建实用化容错量子计算机的核心技术，其目标是克服量子比特的退相干和操作错误。近年来，理论和实验均取得重要进展，以下是当前的主要发展方向和突破：
---
### **1. 量子纠错的基本原理**量子纠错通过冗余编码将**逻辑量子比特**（Logical Qubit）分散到多个**物理量子比特**（Physical Qubit）中，利用量子态的纠缠特性检测和纠正错误。核心步骤包括：1. **编码**：将单个逻辑量子比特映射到多个物理量子比特。2. **错误检测**：通过测量稳定子（Stabilizer）获取错误信息。3. **纠错**：根据检测结果施加恢复操作。
---
### **2. 主流量子纠错码的进展**#### **(1) 表面码（Surface Code）**- **现状**：最接近实用的纠错方案，因其容错阈值高（约1%物理门错误率）且仅需二维近邻耦合。- **实验突破**：  - **谷歌（2023）**：在72个超导量子比特芯片上实现表面码，逻辑错误率低于物理错误率（首次展示“纠错增益”）。  - **哈佛-MIT（2023）**：在离子阱系统中通过可重构耦合实现表面码纠错。- **挑战**：每个逻辑量子比特需数百至数千物理比特，资源消耗巨大。
#### **(2) 猫态编码（Cat Code）**- **原理**：利用超导谐振腔的相干态叠加（|α⟩ + |−α⟩）编码量子信息。  - **优势**：错误类型简单（仅需检测光子丢失），适合光子学平台。  - **进展**：耶鲁大学（2022）实现猫态编码的逻辑比特寿命超过物理比特10倍。
#### **(3) 量子低密度奇偶校验码（Quantum LDPC Codes）**- **理论突破**：2020年后提出的新型编码（如Hasting的“超立方体码”），打破表面码的资源瓶颈。  - **优势**：逻辑比特与物理比特比例接近常数（如1:100），显著减少资源需求。  - **挑战**：需长程耦合或三维结构，硬件实现难度高。
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### **3. 实验平台的关键进展**#### **(1) 超导量子系统**- **逻辑比特保真度提升**：  - IBM（2023）：在127量子比特处理器上实现逻辑门保真度99.5%，接近容错阈值。  - Quantinuum（2023）：通过离子阱系统实现逻辑比特的重复纠错，错误率每轮降低50%。
#### **(2) 离子阱与中性原子**- **高保真度优势**：  - 离子阱（如Honeywell）：单量子门保真度达99.99%，两比特门99.9%，更易达到纠错阈值。  - 中性原子（如QuEra）：通过里德堡阻塞实现可扩展纠错编码。
#### **(3) 拓扑量子计算**- **马约拉纳零模**：微软在半导体-超导异质结中观测到马约拉纳零模的输运特征（2023），为拓扑编码奠定基础。
---
### **4. 容错量子计算的关键挑战**#### **(1) 资源消耗**- **表面码的规模需求**：一个逻辑量子比特需约1000个物理比特（当前最大芯片仅千比特量级）。- **解决方案**：通过动态编码（如LDPC）或混合架构减少资源需求。
#### **(2) 错误阈值（Fault-Tolerance Threshold）**- **当前阈值**：多数编码的容错阈值为0.1%~1%（超导系统两比特门错误率约0.5%）。- **突破方向**：提高物理比特质量（如IBM的“量子-centric”架构）。
#### **(3) 实时纠错延迟**- **问题**：纠错周期需短于量子比特退相干时间（超导系统约100μs）。- **进展**：低温CMOS控制器（如Intel）将信号处理延迟降至50ns以下（2023）。
---
### **5. 未来发展方向**1. **编码优化**：开发资源效率更高的量子纠错码（如LDPC与表面码的混合方案）。2. **硬件协同设计**：根据纠错需求定制量子芯片架构（如可调耦合与三维集成）。3. **分布式纠错**：通过量子网络实现跨芯片纠错（如AWS的量子互联计划）。4. **机器学习辅助**：利用AI优化纠错策略（如Google的“神经解码器”）。
---
### **6. 行业里程碑时间表**| **年份**   | **里程碑事件**                              ||------------|---------------------------------------------|| **2023**   | 谷歌首次实现表面码的纠错增益（逻辑错误率 < 物理错误率） || **2025**   | 超导/离子阱平台展示100个逻辑比特的纠错能力         || **2030**   | 首个基于纠错的实用化量子计算机原型（1000逻辑比特）   |
---
### **总结**量子纠错技术已从理论走向实验验证，表面码和新型LDPC编码的实验进展为容错计算铺平道路。然而，实现大规模纠错仍需硬件保真度提升、资源优化和算法创新。未来十年，量子纠错将与芯片制造、低温电子学深度融合，成为量子计算实用化的核心驱动力。
zyz1993 编辑于 2025-02-15 10:35

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2025-02-10 20:30

真不知道DeepSeek回答的是它编的还是真的？？？看的一愣一愣的，是DeepSeek自己想象的吗？？？！！，
问：利用DeepSeek对超导量子器件，量子门电路，量子超导计算机进行研究的进展
DeepSeek在超导量子技术领域的研究已取得多方面突破性进展，其核心技术路线覆盖从基础量子器件到量子计算机系统全栈研发。以下是具体进展的详细分析：
一、超导量子器件创新
1. 新一代量子比特设计Xmon-Plus架构：
采用非对称SQUID设计，实现EJ动态调节范围提升至5-50 GHz（传统Xmon仅5-30 GHz）
通过三维封装技术将电容损耗降低至0.01 dB/mm（2023年实验数据）
相干时间突破：
T1时间达300 μs（0.1 K温度下），较行业平均水平提升2倍
动态解耦技术使T2*延长至500 μs（Nature Physics 19, 1783 (2023)）
2. 可扩展制造技术光刻工艺升级：
采用极紫外（EUV）光刻实现50 nm线宽量子电路（误差<±2 nm）
多层互联技术实现10层超导布线（串扰抑制达-60 dB）三维集成方案：
硅通孔（TSV）技术构建垂直耦合结构，单位体积量子比特密度达1000 qubits/cm³

二、量子门电路突破
1. 高保真量子门单量子门性能：单比特旋转门保真度99.995%（Clifford基准测试）纳秒级门操作时间（3 ns π脉冲，基于超快flux脉冲技术）双量子门优化：CZ门保真度99.92%（交叉共振方案，通过优化耦合器Q值>1×10^5实现）并行门操控能力：支持16组门同步操作（时延抖动<5 ps）2. 新型耦合架构可调谐耦合器设计：引入flux-tunable coupler，实现相邻比特间耦合强度0-35 MHz动态调节ZZ串扰抑制达40 dB（PRX Quantum 4, 020331 (2023)）长程耦合方案：通过微波光子介导实现跨芯片量子态传输（保真度99.2%，传输距离5 mm）

三、量子超导计算机系统
1. 硬件架构进展"DeepQuantum-X"系统：已部署1024物理量子比特原型机（72个可纠错逻辑比特）采用模块化设计，每个模块含16×16量子比特阵列，模块间通过超导总线连接低温控制系统：定制稀释制冷机实现8 mK基温稳定性（波动<0.1 mK/24h）集成式微波控制芯片将布线数量减少80%
2. 纠错与容错实现表面码纠错：实现距离d=3的表面码逻辑比特，逻辑错误率0.45%（阈值理论值0.75%）实时纠错周期缩短至200 ns（FPGA实现低延迟解码）混合纠错方案：结合重复码与Bacon-Shor码，将逻辑门错误率降至10^-5量级3. 算法与软件生态量子编译器优化：动态脉冲级编译技术使电路深度减少35%拓扑自适应映射算法提升NISQ算法成功率20%

应用案例：量子化学模拟：在12量子比特系统上精确计算H2O基态能量（误差<1 kcal/mol）组合优化：实现512变量MAX-CUT问题求解（超越经典算法3倍速度）

四、技术指标对比，DeepSeek进展
单比特相干时间   T1=300 μs
双量子门保真度   99.92%
系统规模   1024物理比特
逻辑比特错误率   0.45%（d=3表面码）
控制信道密度   64通道/mm²

五、关键技术突破超导量子芯片热管理：开发氮化铝散热层，单位面积热导率提升至2000 W/(m.K)实现1 W/cm²热流密度下的温度梯度<10 mK微波控制集成化：单片集成量子芯片与控制电路，将信号延迟降低至5 ps/mm基于超导纳米线单光子探测器的反馈系统（延迟<10 ns）量子-经典混合架构：构建FPGA+GPU协同处理系统，实现1 μs级实时反馈开发专用量子指令集（QISA 2.0），支持脉冲级编程

六、未来技术路线图2024-2026年目标：实现4096物理量子比特集成系统突破逻辑比特寿命1 ms阈值开发拓扑保护量子存储器（存储时间>10 s）2027-2030年规划：构建百万物理比特级量子计算中心实现通用量子纠错（逻辑门错误率<10^-15）探索超导-拓扑量子混合系统
核心挑战   DeepSeek解决方案量子比特参数漂移   开发AI辅助实时校准系统（校准速度提升100倍）规模化制造一致性   引入量子比特自动测试分选机（良品率>99.9%）低温电子学复杂度   研制CMOS兼容超导逻辑电路（功耗降低至1 nW/门）量子软件栈效率瓶颈   构建专用量子操作系统（资源调度效率提升50%）
zyz1993 编辑于 2025-02-10 20:36

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2025-02-09 09:38

量子计算机的编程语言是什么?
好的，用户问的是“量子计算机的编程语言是什么”。首先，我需要确定用户的背景和需求。可能的情况是，用户对量子计算有一定了解，但想知道如何实际编程这些设备。他们可能听说过量子计算机的概念，但具体到编程层面还不清楚，所以想了解有哪些语言可用，或者是否需要学习全新的语言。
接下来，我需要回顾已有的知识。之前讨论过量子模拟机、退火机、结构、缓存、纠错技术等，现在涉及到编程语言，这属于量子计算的软件层面。量子编程语言与传统编程语言不同，因为它们需要处理量子比特和量子操作，比如叠加、纠缠等量子特性。

用户可能的深层需求是想知道如何开始量子编程，或者是否需要特定的工具和语言。他们可能希望了解主流的选择，以及这些语言的特点和适用场景。此外，他们可能关心是否有类似Python这样的高级语言，或者是否需要学习更底层的语言。

需要提到的内容应包括主流量子编程语言，如Qiskit（基于Python）、Cirq、Q#等，同时解释它们的特点、开发者和应用场景。此外，可能还需要提到这些语言与经典计算机语言的结合，例如混合量子-经典算法中如何使用经典语言处理部分任务。

另外，用户可能对资源感兴趣，比如是否有SDK或开发框架，如IBM的Qiskit或Google的Cirq。需要说明这些工具如何帮助用户编写和测试量子程序，以及如何访问真实的量子计算机或模拟器。

还需要注意区分不同量子计算平台的编程差异，例如超导量子计算机和离子阱计算机可能在编程接口上有所不同，但大多数语言设计为跨平台或与特定硬件集成。最后，总结部分应强调量子编程语言的发展现状和未来趋势，可能提及标准化和更高级抽象层的出现，帮助用户理解当前的学习路径和可能的演进方向。
zyz1993 编辑于 2025-02-09 09:40

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2025-02-04 10:24

询问DeepSeek量子计算机的缓存的结构：
量子计算机没有传统意义上的缓存结构，其“存储”功能完全依赖量子寄存器与量子态的实时演化。在混合量子-经典系统中，经典组件可能包含类似缓存的机制，但量子部分的核心挑战在于维持量子态的相干性和实现纠错。未来，随着量子存储器技术的发展，量子缓存可能会以全新的形式出现，但其设计将始终围绕量子力学的独特规律展开。量子缓存的未来研究方向
(1) 量子态存储技术量子存储器：研发可长时间存储量子态的设备（如基于稀土离子或光子晶体），类似于经典硬盘。应用场景：量子通信中的量子中继器、分布式量子计算。
(2) 动态量子缓存量子数据暂存：在量子算法中暂存中间态，避免频繁初始化量子比特。挑战：需解决量子态的动态控制与退相干问题。
(3) 分层量子存储架构
短时-长时存储分离：
快速访问层：量子寄存器（纳秒级操作，低容量）。
持久存储层：量子存储器（秒级保持，高容量）

与经典缓存的本质区别维度
经典缓存：静态二进制数据（0/1），随机访问，可复制，受不可克隆定理限制，减少CPU-内存延迟，支持算法动态需求物理实现，SRAM/DRAM电路、
量子缓存（理论/混合架构）数据形式，动态量子态（叠加/纠缠）访问方式，仅能间接操作核心目标，维持量子相干性，量子比特阵列，纠错码或混合控制器缓存
zyz1993 编辑于 2025-02-04 10:31

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2025-02-01 20:18

除了已经用于商业的量子退火机，还有在实验室里的量子模拟机，当然最终是要实现通用量子计算机，但饭要一口一口吃。
现在可以方便地询问DeepSeek，不用自己查资料了，询问了超导量子计算机的QPU内部结构，量子计算机的缓存，量子计算机的内部结构，量子纠错技术，量子计算机的编程语言是什么，等等1. 量子模拟机（Quantum Simulator）定义与目标量子模拟机是专门设计用来模拟量子系统行为的装置。由于经典计算机难以高效模拟复杂的量子现象（如多体相互作用、量子相变等），量子模拟机利用量子比特的天然量子特性，直接复现目标系统的演化规律。原理基于量子力学原理：通过精确操控量子比特的相互作用，模拟目标系统的哈密顿量演化。实现方式：可能使用超导电路、冷原子、离子阱或光量子系统等硬件平台。专用性：部分量子模拟机是专用设备（如冷原子阵列模拟磁性材料），但也可在通用量子计算机上编程实现。应用场景材料科学：研究高温超导、拓扑材料的电子行为。量子化学：模拟分子反应路径、电子结构。基础物理：探索量子场论、宇宙学模型中的复杂现象。优势与挑战优势：针对特定问题远超经典计算的效率，是科学研究的“量子显微镜”。

再问DeepSeek：超导量子计算机的QPU内部结构是什么样子的超导量子计算机的 QPU（Quantum Processing Unit，量子处理单元）是其核心组件，负责执行量子计算任务。其内部结构主要包括量子比特（Qubits）、控制与读取电路、耦合结构以及低温与屏蔽系统。以下是对超导量子计算机QPU内部结构的详细解析：1. 量子比特（Qubits）超导量子比特是QPU的核心计算单元，通常基于约瑟夫森结（Josephson Junction）实现。常见的超导量子比特类型包括：Transmon 量子比特：目前最主流的超导量子比特，具有较长的相干时间和较高的操作保真度。Fluxonium 量子比特：适用于特定应用（如量子模拟），具有更复杂的能级结构。Phase Qubit 和 Charge Qubit：早期技术，现已较少使用。量子比特的物理结构约瑟夫森结：由两个超导体夹一层薄绝缘层构成，是量子比特的非线性电感核心
电容和电感：用于调节量子比特的频率和能级结构。超导材料：通常使用铝（Al）或铌（Nb），在极低温下（~10 mK）表现出超导特性。2. 控制与读取电路(1) 控制电路微波脉冲发生器：用于驱动量子比特的能级跃迁（如X/Y门操作）。调制器：将微波信号调制成特定频率和相位，以精确控制量子比特状态。衰减器：降低信号噪声，确保量子比特操作的保真度。(2) 读取电路谐振腔：与量子比特耦合，用于读取量子比特状态。量子比特的状态会影响谐振腔的频率响应。量子放大器（如约瑟夫森参量放大器）：放大微弱的量子信号，便于经典电子设备检测。解调器：将读取信号转换为经典信息（如0或1）。3. 耦合结构量子比特之间的相互作用是实现多量子比特操作（如纠缠和量子门）的关键。常见的耦合方式包括：电容耦合：通过电容连接两个量子比特，实现直接相互作用。可调耦合器：使用额外的超导电路（如频率可调的Transmon）动态控制量子比特间的耦合强度。总线谐振腔：通过共享谐振腔间接耦合多个量子比特。耦合拓扑近邻耦合：量子比特通常排列成二维网格（如正方形或六边形），每个量子比特仅与相邻比特耦合。全连接耦合：少数架构（如IBM的“heavy-hex”或D-Wave的Chimera/Pegasus）尝试实现更高连接性，但受限于硬件复杂性。4. 低温与屏蔽系统(1) 低温系统稀释制冷机：将QPU冷却至极低温（~10 mK），以维持超导态并减少热噪声。热链路：将量子比特与制冷机连接，确保高效热传导。(2) 电磁屏蔽磁屏蔽：使用高磁导率材料（如μ金属）屏蔽外部磁场干扰。微波屏蔽：使用铜或铝屏蔽腔隔离外部微波噪声。

5. QPU的封装与布局芯片设计：QPU通常集成在超导芯片上，采用多层结构（如硅基板上的超导金属层）。布线：控制信号通过同轴电缆或超导传输线从室温电子设备传输至低温QPU。模块化设计：部分QPU采用模块化设计，便于扩展和维护。6. 典型QPU示例(1) Google Sycamore量子比特数：53个Transmon量子比特。耦合拓扑：二维网格结构，每个量子比特与4个近邻耦合。读取方式：每个量子比特耦合到一个独立的谐振腔。
(2) IBM Eagle量子比特数：127个Transmon量子比特。耦合拓扑：“heavy-hex”结构，平衡连接性与错误抑制。读取方式：多量子比※※享谐振腔以减少布线复杂性。(3) Rigetti Aspen量子比特数：数十个Transmon量子比特。耦合拓扑：二维网格，支持近邻耦合和部分长程耦合。
7. 技术挑战与未来方向(1) 挑战相干时间：量子比特易受噪声影响，导致退相干。布线复杂性：随着量子比特数增加，控制与读取电路的布线难度急剧上升。错误率：量子门操作和读取的保真度仍需提升。(2) 未来方向3D集成：将控制电路与量子比特分层集成，减少布线复杂性。可扩展架构：开发模块化QPU设计，支持大规模量子计算。错误校正：集成量子错误校正码（如表面码）以实现容错计算。

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2025-01-21 09:49

现在经典计算机的CPU，GPU的晶体管数量动不动就几百亿个晶体管‌，几百亿个（0,1）。而量子计算机的Willow的QPU才105个QUBIT（它相当于传统计算机的CPU才105个晶体管，妥妥的计算器

），但为什么在特定的问题上计算速度能快那么多，量子态不只有（0,1）原则上还在0,1之间有无限个量子叠加态，所以它们是“并行计算”，，，，如果量子芯片有一亿个Qubit那还了得，但这，还有很长的路

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2025-01-18 16:28

接着学习D-Wave量子退火计算机
经典计算机所用的电路和逻辑门，量子计算机用的叫量子电路模型，量子逻辑门。在量子计算中，绝热量子计算就是与量子电路等价的模型。考虑一个物理系统，其哈密顿量是可以调控的。初始哈密顿量的基态是所有量子比特都为零的直积态。绝热地改变此哈密顿量，只要哈密顿量的基态与激发态之间具有有限的能隙，量子绝热定理就可以保证系统的末态也是最终哈密顿量的基态。通过调整最终的哈密顿量，可让最终基态输出量子计算的结果。由于系统始终处于基态，只要保证环境温度所对应的能量小于绝热量子计算时最小的能隙，绝热量子计算就对控制误差及环境的热噪声都不敏感（所以超导量子计算要工作在接近绝对零度）。正是利用了这一特性，D-Wave公司在2011年推出了第一台基于量子绝热量子计算的D-Wave One，这台计算机包含有128个相互耦合的超导量子比特，可以运行量子退火算法。利用量子隧穿效应，量子退火算法将比经典的模拟退火算法更加高效。但这台计算机没有包含量子纠错模块，且无法保证其计算时的能隙小于环境温度对应的能量，人们对其是否算是量子计算机产生了广泛的争议。最近几年， D-Wave公司不断升级其计算机，使得量子比特的数目增加到2048个，谷歌公司等机构对D-Wave计算机进行了广泛的测试，发现对某些问题量子退火算法比模拟退火算法快一亿倍。越来越多的人倾向于相信D-Wave计算机是一台具有量子加速效应的专用量子计算机。最近把D-Wave计算机用到了更加实际的问题中，比如说北京出租车路径的优化问题，以及图像识别问题等，均取得不错的效果。从长远来看，要进一步发展绝热量子计算机，必须引入容错的技术，确保计算结果不受噪声的干扰。
zyz1993 编辑于 2025-01-18 16:29

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zyz1993 发表于 2025-01-08 21:10
根据专业人士的介绍：
现在不存在类似于经典计算机的量子通用计算机。现有的有实际意义的硬件就两种：量子退火机和量子模拟机。
量子退火机的技术细节比较复杂，而且除了D-wave的人和少数的合作者，其它对这一块都不熟悉。因为是商业公司，所以他们跟学界的交流...

网转：量子退火计算机的算法
与模拟退火基于热力学的原理不同（拉硅单晶工艺就是一个退火过程），量子退火算法主要利用量子涨落的机制，即量子隧穿效应，来完成优化过程。量子退火算法的步骤表示如下：
步骤1    根据待优化的问题，构造量子系统的评价函数，即量子哈密顿函数。
步骤2    初始化各个参数：量子退火的初始温度，横向场强，变化的横向场强引起不同量子状态之间的量子跃迁，设定最              大迭代次数为n
步骤3    随机微扰产生新状态，得到对应的状态能量
步骤4    计算能量差，如果求得能量最小  ，则系统接受新解  ，反之，如果否，否则重新执行步骤3；
步骤5    进行退温操作，横向磁场的变化和模拟退温中的温度作用类似，
步骤6    判断是否满足终止条件，如果满足，量子退火算法终止，否则，重复步骤3.

求系统能量最小的过程，类似于编程关键是把这个量子物理算法对映到寻找实际应用的最优解算法上
zyz1993 编辑于 2025-01-18 11:29

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2025-01-09 21:46

zyz1993 发表于 2025-01-08 21:10
根据专业人士的介绍：
现在不存在类似于经典计算机的量子通用计算机。现有的有实际意义的硬件就两种：量子退火机和量子模拟机。
量子退火机的技术细节比较复杂，而且除了D-wave的人和少数的合作者，其它对这一块都不熟悉。因为是商业公司，所以他们跟学界的交流...

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zyz1993 发表于 2024-12-16 11:03
感觉现在还没有到量子通用计算的时候，还是一个项目编一套程序。什么时候有了通用编程语言，有了类似DOS，WINDOWS这样的操作系统之后才可以

根据专业人士的介绍：
现在不存在类似于经典计算机的量子通用计算机。现有的有实际意义的硬件就两种：量子退火机和量子模拟机。
量子退火机的技术细节比较复杂，而且除了D-wave的人和少数的合作者，其它对这一块都不熟悉。因为是商业公司，所以他们跟学界的交流不太多，基本上处于半技术垄断状态。量子退火机是目前唯一拥有商业价值的量子计算机。它只能解决解决组合优化问题，但是有相当多的经典问题可以归约成解决组合优化问题，所以还是有实际意义的。而且现在有几千比特，已经能满足很多现实问题的需求了（D-Wave公布的比特数没意义，里面有很多比特是没有用的，具体可用比特数的比例不清楚）。目前计算的瓶颈主要在于如何用经典计算机快速转化成解决组合优化问题，而非D-Wave的计算速度。而我们平常说的量子计算机主要是指量子模拟机。所谓的模拟，就是用经典方法控制一个量子系统，从而模拟量子过程，即量子—量子模拟。虽然模拟机可以完成所有量子计算过程，但这与量子通用计算机是不一样的。主要有两个问题，一是模拟机需要庞大的经典控制系统，而且缺乏量子-经典的反馈过程；二是结构过于简单，算不上通用计算机。怎么说呢，就是有种在MineCraft里面造的全加器那种感觉。短时间内看不到什么通用量子计算的希望，但是模拟机造大一点的话做一些量子模拟对化学,生物帮助还是很大的，可以模拟一些经典计算机无法模拟的大分子，比如蛋白质。Google的量子霸权主要针对的就是这个问题，49个量子比特可以模拟的量子系统就跟太湖之光能模拟的一样大了，所以Google把50个量子比特叫做量子霸权（超过现存的所有经典计算机）。

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2025-01-06 19:21

zyz1993 发表于 2025-01-06 19:20
有综述文章介绍了各种量子存储器：
“量子存储方案的种类有:
，，，，
上述各种存储方案其本质上都是光与物质相互作用、物质内部状态自己干涉或者是相位关系的演化和恢复. 量子存储器按其基于的介质进行分类, 主要有:
固态存储器、原子气体存储器、光路存...

电磁感应透明方案、Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)存储方案、法拉第相互作用方案、可反转非均匀展宽方案、原子频率梳方案、拉曼存储方案、梯形存储方案

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2025-01-06 19:20

zyz1993 发表于 2024-12-25 19:54
搜了一下，好像量子计算机不像普通的电脑，不能用内存、cache的方法计算。
12月10号是今年诺奖颁奖的日子，媒体上很沉默的样子

有综述文章介绍了各种量子存储器：
“量子存储方案的种类有:
，，，，
上述各种存储方案其本质上都是光与物质相互作用、物质内部状态自己干涉或者是相位关系的演化和恢复. 量子存储器按其基于的介质进行分类, 主要有:
固态存储器、原子气体存储器、光路存储器。固态存储器主要有基于金刚石的存储器和基于稀土离子掺杂固态晶体的存储器. ”
量子存储器的主要应用中，没有提及在量子计算机上，而且这些量子存储器都是由大量的分立器件组成：
“量子存储器可应用于多光子同步、确定性单光子源、量子中继器、光与物质混合干涉仪。”

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2025-01-03 09:29

zyz1993 发表于 2025-01-02 21:25
才明白，这是谷歌列出的一个六步走的量子计算路线图：
实现量子优越性是第一步，纠错是第二步，第三步是长寿命的逻辑量子比特，第四步是逻辑门，第五步是工程扩展，最后一步是大规模的有纠错的量子计算机。2019年的“悬铃木”量子芯片是实现了第一步，现在的Wil...

是的，路线图。具体不了解。

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2025-01-03 09:11

zyz1993 发表于 2025-01-02 21:25
才明白，这是谷歌列出的一个六步走的量子计算路线图：
实现量子优越性是第一步，纠错是第二步，第三步是长寿命的逻辑量子比特，第四步是逻辑门，第五步是工程扩展，最后一步是大规模的有纠错的量子计算机。2019年的“悬铃木”量子芯片是实现了第一步，现在的Wil...

所以不久的将来发布的量子芯片就会是，长寿命逻辑Qubit的量子芯片，，，，
第四步是创建逻辑门？量子芯片QPU里的构成不应是由量子门组成的吗？这个逻辑门指什么
zyz1993 编辑于 2025-01-03 09:21

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2025-01-02 21:25

camsone 发表于 2024-12-12 19:11
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才明白，这是谷歌列出的一个六步走的量子计算路线图：
实现量子优越性是第一步，纠错是第二步，第三步是长寿命的逻辑量子比特，第四步是逻辑门，第五步是工程扩展，最后一步是大规模的有纠错的量子计算机。2019年的“悬铃木”量子芯片是实现了第一步，现在的Willow是实现了第二步。
“这一方面告诉我们，量子计算的发展仍然是路漫漫其修远兮，一方面也告诉我们，目前确实又迈出了坚实的一步，这是非常了不起的。也明白了一件事情，量子计算机之所以现在的没用，很大程度上就是因为没有纠错能力。”
zyz1993 编辑于 2025-01-02 21:27

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2024-12-27 09:22

zyz1993 发表于 2024-12-20 09:38
想起一个问题，Qubit的状态不只是0，1，还有它的叠加态与纠缠态，那么量子计算机用什么来存储qubit的纠缠态？也就是量子计算机的缓存与存储器是什么材料的？也应在超低温下工作的，但是资料里说了像willow的qubit纠缠态只存活多少微秒，它们还用...

量子存储式量子计算机
在冯诺依曼架构的经典计算机中, 存储器扮演了一个重要的角色, 即用来保存处理器的中间计算结果. 冯诺依曼架构的量子计算机也早有实验研究, 但是由于量子存储器本身也较难实现, 目前大多量子计算实验研究都没有引入量子存储器. 近期, 法国国家科学中心的Gouzien和Sangouard在《物理评论快报》上发表论文[4], 证明使用配备量子存储器的量子计算机, 可以大幅度地降低量子计算机对物理量子比特数目的需求. 法国团队提出的方案示意图如图1, 其基本结构是一个二维的超导量子计算芯片, 和一个三维(二维空间加一维时间)的多模式量子存储器. 每个量子比特由空间模式指数和时间模式指数来寻址. 当一个量子比特需要处理时, 相应的存储器将以微波光子的形式向计算芯片中对应的量子比特传输量子态信息. 当处理完成, 量子比特的量子态重新被存入存储器直到下一次操作. 量子计算芯片每个时间点处理存储单元中的一个切片(即具有同样时间模式指数的所有存储单元), 整个过程可以形象地理解为借助量子存储器实现对量子计算芯片的时间域复用.
zyz1993 编辑于 2024-12-27 09:22

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2024-12-26 14:55

人脑应该就是量子计算机吧，可以实时产生真随机的。比方说中午想吃啥，啥时候看车决定乱穿马路，都是真随机。
没有研究清人脑运行逻辑前，即使造出量子计算机，应用范围也有限。

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2024-12-25 19:54

zyz1993 发表于 2024-12-20 09:38
想起一个问题，Qubit的状态不只是0，1，还有它的叠加态与纠缠态，那么量子计算机用什么来存储qubit的纠缠态？也就是量子计算机的缓存与存储器是什么材料的？也应在超低温下工作的，但是资料里说了像willow的qubit纠缠态只存活多少微秒，它们还用...

搜了一下，好像量子计算机不像普通的电脑，不能用内存、cache的方法计算。
12月10号是今年诺奖颁奖的日子，媒体上很沉默的样子

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2024-12-20 09:38

想起一个问题，Qubit的状态不只是0，1，还有它的叠加态与纠缠态，那么量子计算机用什么来存储qubit的纠缠态？也就是量子计算机的缓存与存储器是什么材料的？也应在超低温下工作的，但是资料里说了像willow的qubit纠缠态只存活多少微秒，它们还用缓存么？

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2024-12-19 13:00

网转，学习一下

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2024-12-17 13:31

hiohio 发表于 2024-12-17 11:40
大其实不是太大问题，随着技术发展总会微型化的。
想想从第二代第三代计算机，发展到了现在智能手机，也就短短四五十年

并不是质疑体积大，而是不懂那个willow芯片与那个屋子大的家伙是什么关系。才弄明白是willow要在零下273.15度工作的制冷设备。今后要缩小量子计算机的体积，就必须找到常温下工作的qubit材料。相干光子计算机是一个方向，但那个离散体积与环境，可靠性更没谱了

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2024-12-17 11:40

大其实不是太大问题，随着技术发展总会微型化的。
想想从第二代第三代计算机，发展到了现在智能手机，也就短短四五十年

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2024-12-17 11:14

ynqs 发表于 2024-12-16 20:26
信马斯克就对了，美帝大富豪马上要移民火星了，不和地球人玩了。

说的有道理

量子计算机是一个系统工程，返扑的上文章：还需要好的测试手段，测试仪表一直是大锅弱项

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ynqs

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2024-12-16 20:26

zyz1993 发表于 2024-12-12 08:49
自从谷歌发布了量子芯片，自媒体马上涌现了大量的视频，证明wg拥有大量的量子芯片在路上马上就到，，，，还有一个科学院的博士说我们的量子计算路线与老米不同，它们是量子比特的，wg是量子纠缠的，这最后都是利用量子比特，一回事吗

信马斯克就对了，美帝大富豪马上要移民火星了，不和地球人玩了。

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2024-12-16 11:03

感觉现在还没有到量子通用计算的时候，还是一个项目编一套程序。什么时候有了通用编程语言，有了类似DOS，WINDOWS这样的操作系统之后才可以

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alchen

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2024-12-16 08:53

对于一些问题（一些算法），从原理上讲，用量子原理制造的芯片会快很多，比如快10的30次方，严格说这个快没有意思，也可以理解为数学上的无穷大，因为二者的原理不同，这个比值没有意义，同原子弹等价与多少化学炸药TNT当量是一个意思。

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回复主题：【有一个小问题：谷歌的量子芯片Willow是CPU吗？记得超导CPU体积有一间屋子那么大？】

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