科普介紹

量子計算在特定問題上蘊含遠超古典電腦的運算潛力，其硬體卻也面臨控制困難、操作時間過短的問題。量子計算的硬體以量子位元作為的核心元件，還需搭配操控量子位元狀態的驅動元件、量子位元狀態的讀取元件。此外，因為量子位元容易受到外界干擾的特性，量子位元的校正/微調元件、量子糾錯元件等。簡而言之可以包含以下：

• 量子位元
• 驅動
• 讀取
• 校正
• 糾錯

事實上，在現今的記憶體中，其實也包含以上不同的硬體分工，只是在量子計算裡面，以上不同元件需要整體考慮。更具體一點的講法，因為不同元件會互相交互作用，當我們利用量子物理學，寫下其整個量子電路的 Hamiltonian（或薛丁格方程式），其交互作用像會去"修正"量子位元本身的特性，一方面我們利用"修正"的特性來操作和讀取量子位元的資訊，然而另一方面卻也導致量子位元受到影響，偏離理想狀態、導致錯誤產生。

本文專注在超導量子電路，量子電路中包含的元件分類如下（兩種切入點）：

以功能性為觀點	1. 量子位元（資料儲存） 2. 驅動：耦合電路或 LC 共振器（作運算） 3. 讀取（readout）：LC 共振器與饋線 4. 校正：Flux line（改變量子位元頻率） 5. 糾錯：量子位元（糾錯用）
以元件種類為觀點	1. LC 電路    a. LC 共振器（線性 LC 電路）：用作讀取量子位元狀態（readout resonator），有時也可以作為量子位元間耦合（間接耦合）    b. 量子位元（非線性 LC 電路）：部分作為資料儲存、部分作為糾錯用位元 2. 饋線（feedline）：外部訊號送入與讀出 3. 耦合元件：    a. 操作、改變量子位元狀態    b. 量子位元之間的直接耦合    c. 將外部訊號與各元件交換訊號 4. Flux line：調整改變量子位元頻率，讓量子位元在指定頻率運作

▲首先可以先欣賞一下單量子位元的 layout。（a）顯微鏡底下的電路圖，（b）對應的電路圖，此圖中有一個 Qubit（紅色 Transmon）、一個 readout resonator（天藍色），兩條 feedline 個別驅動（Drive）量子位元與 readout resonator。各元件間利用電容作耦合。另外有一條 Flux line 連到 Qubit 旁，會產生磁場來改變 Transmon 的操作頻率。（c）readout resonator 因為與量子位元耦合，會受到量子位元在 \(|0\rangle\) 或 \(|1\rangle\) 狀態的差異產生頻譜的位移，利用 readout resonator 頻譜的位移的特性來得知量子位元的狀態。
Ref:arxiv.org/pdf/2106.11352

▲這張圖是兩個量子位元（Transmon）藉由一個 resonator 耦合在一起（間接耦合），可以注意的是下方一行文字寫這個 resonator 兼具耦合兩個量子位元的功能。
Ref:doi.org/10.1038/nature08121

▲這張圖是四個 Qubit，中間由 bus resonator 串連耦合四個 Qubit。其中四個接頭直通 Qubit，是 flux-line，另外左上跟右下各有一條 readout feedline I/O，各自連結到兩個 readout resonator 並與 Qubit 耦合（等於說一條 readout feedline 會同時讀取兩個 Qubit）。

▲這張是另一種 5 qubit layout 的示意圖。其中 Z 是 flux line，XY 是 Drive line，5 個 Qubit 是直接電容耦合。此外，每個 qubit 都有自己的 readout resonator，在上方併入（此圖顯示是電感耦合）到 readout line。
doi.org/10.1038/nature13171

邁向多 Qubit 模組

▲要達到量子計算，需要同時操作許多 Qubit，同時因為糾錯的關係，也需要額外的 Qubit 來進行糾錯。下圖是一個 17 位元的實驗性量子晶片，排列方式是一種稱為 surface code（表面碼）的量子糾錯型態，圓形為 Qubit，粉色及紅色是 Data Qubit，天藍色及綠色是 Check Qubit。每個 Qubit 都連接 7 條線（暱稱為 Starmon），其中 4 條為 Qubit 間耦合、1 條 Flux line、1 條 Drive line、1 條 Readout resonator。Readout resonator 分別併入到三條 feedline。
https://arxiv.org/pdf/1612.08208