硬體導論

在當前的量子電腦發展上，嚴格來說其實是半古典、半量子的綜合體，利用古典電腦發送帶有古典資訊的微波訊號，進入到量子位元後， 因為量子位元與微波耦合，會回傳帶有量子資訊的古典信號，再由古典電腦分析結果。 此特性可以稍微將串擾議題分類為古典串擾與量子串擾。 不過讀者也無需過度在意確切的定義，實務上不同類型的串擾常會同時發生，物理學家和工程師藉由假設串擾模型來預測串擾的發生，再進行優化。

古典串擾

由控制訊號、閘操作、量子位元間非預期的耦合項造成的非預期影響，大體上歸類為古典串擾。可以簡單從Hamiltonian來思考： \[ \hat{H}=\hat{H}_{qubits}+\hat{H}_{coupling}+V_{control}+\color{red}{\hat{H}_{unexpected}} \] 因為量子Hamiltonian常由古典Hamiltonian量子化而來，故此類串擾常可用古典模型來模擬。

▲由控制訊號的電磁場洩漏造成其他量子位元的影響。
Ref: 作者繪製

▲量子位元間有設計外的耦合項，造成非預期的狀態轉換或退相干。
Ref: 作者繪製

返回電流 Return Current Focus

▲ 在現代精密電子電路中，需要注意接地問題。同樣的在量子電路中，電流是否依照理想狀態返回接地， 如果在晶片上亂竄，會造成Flux crosstalk。此時就需要Return Current Focus的設計 例如利用空橋將接地的部分盡可能相連，使Flux current盡可能快速離開晶片。
Ref: 左：Sinica
右：https://i.sstatic.net/3lSUB.png

量子串擾

量子串擾來自於其他量子位元因為處在不同狀態，造成指定的量子位元控制不如預期。在量子世界裡，完整的物理演化包含Hamiltonian和state vector： \[ i\hbar\partial_t \ket{\psi}=\hat{H}\ket{\psi} \] 由於\(\ket{\psi}\)是量子物理的特性，沒有古典對應，故與\(\ket{\psi}\)有關的串擾可被歸類為量子串擾。

▲ State Propagation，不在基態的量子位元可能會影響到其他處在基態的量子位元。
Ref: 作者繪製

▲ 理想的量子晶片，當計算侷限在局部子系統時，理論上操作結果、品質不應與其餘量子位元的狀態有關。但實務上，即便空間位置很遠的量子位元，也有可能會對操作子系統產生影響。
Ref: 作者繪製

當然，量子狀態的演化其實跟Hamiltonian有關，不同位元間的狀態改變一定與Hamiltonian是否有交互作用項有關，量子串擾與古典串擾不一定有明確的劃分。 串擾的修正，可以在製程上進行優化，也可以利用校正的方式，針對運算閘操作進行修正。

本文參考 由中興大學 郭華丞教授 應 中原大學 徐立義教授 邀請，主講題目： Key issues in designing a scalable QPU Event Date: 2025-06-18 Speaker: Prof. Watson Kuo (Dept. of Physics, National Chung Hsing University) Host: Prof. Li-Yi Hsu (CYCU) Place: R211, Science Building, Chung Yuan Christian University Time: 14:00 筆者深感啟發，特此致謝。