閘控模型
2.1 閘基模型（量子電路模型）
閘基模型，或稱量子電路模型，是目前最廣為人知和研究最深入的量子計算範式，其概念直接類比於古典電腦的數位邏輯電路 [13, 14]。
原理
在該模型中，計算被分解為一系列作用於一個或多個量子位元上的離散操作，這些操作被稱為量子邏輯閘 [13]。每個量子閘對應一個么正變換（Unitary Transformation），確保了計算過程的可逆性，不會遺失資訊 [4]。一個完整的量子演算法可以被描繪成一個量子電路圖，其中水平線代表量子位元隨時間的演化，方塊代表施加的量子閘。理論上，所有測量操作都可以推遲到計算的最後階段進行，因此許多電路圖只展示量子閘的序列 [13]。
一個關鍵的概念是「通用閘集」（Universal Gate Set）。理論證明，一個相對較小的量子閘集合就足以近似任何可能的量子計算（即任何任意大的么正變換）。一個常見的通用閘集包括所有單量子位元旋轉閘和一個雙量子位元糾纏閘，如受控非閘（CNOT）[13, 14]。Solovay-Kitaev 定理進一步保證了，即使是無限多的單量子位元操作，也可以用一個有限的閘集以任意高的精度來近似 [14]。
優勢與挑戰
閘基模型最大的優勢在於其通用性。理論上，一台基於此模型的通用量子電腦可以執行任何量子演算法，包括Shor的質因數分解演算法和Grover的搜尋演算法 [14, 15]。這使其成為構建能夠解決廣泛問題的量子電腦的標準藍圖。此外，該模型擁有最成熟和完善的理論框架 [16]。
然而，這種通用性也帶來了巨大的硬體挑戰。它要求對量子位元進行極高精度的離散脈衝控制，對量子閘的保真度（fidelity）和量子位元的相干時間（coherence time）提出了極為苛刻的要求 [4, 9, 16]。隨著量子位元數量的增加，如何維持量子位元之間的高質量連接性，同時抑制它們之間的串擾（crosstalk），成為了可擴展性方面的主要瓶頸 [4, 7]。
王培儒