科普介紹

前文提到複合形式的超導量子位元，這邊簡述一些其他的量子位元。量子位元的應用上，一方面要求量子位元要容易控制，一方面也希望量子位元不容易受到雜訊干擾、延長退相干時間。然而目前這兩個需求是衝突的，容易控制意味著易受影響、反之穩定度高意味著難以控制。 因為不同量子位元的種類有不同的特性，發展在同一個整合不同的量子位元、甚至是複合量子位元，便是一個可行的方向。
Ref: arxiv: 2303.04061

(a) 超導量子處理器 (Superconducting Quantum Processor)
由約瑟夫森結與電容組成的人工原子陣列，透過微波電子學進行控制。
Qubit數量：~100
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 > 99\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 > 99\% \)
優勢：快速操作、高度可控性與良好可擴展性
挑戰：串擾、高冷卻需求、大規模擴展挑戰

(b) 捕獲離子量子計算 (Trapped Ion Quantum Computing)
利用雷射冷卻的原子離子，透過射頻電場捕獲，並用雷射操控。
Qubit數量：20–30
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 > 99.9\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 > 99\% \)
優勢：超長相干時間、高精確度、可重新配置連結
挑戰：技術上難以進行大規模整合

(c) 半導體自旋量子計算 (Semiconductor Spin-Based Quantum Computing)
利用半導體量子點中的電子或空穴自旋作為Qubit。
Qubit數量：6
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 \approx 99.99\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 \approx 99.5\% \)
優勢：技術成熟、相干時間長、小占用空間
挑戰：需納米級製造精度

(d) NV 中心量子計算 (NV Center Quantum Computing)
在鑽石中的點缺陷，利用電子與核自旋的長相干時間進行運算。
Qubit數量：10
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 \approx 99.995\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 \approx 99.2\% \)
優勢：可在室溫操作、高靈敏度、適用於量子網路
挑戰：難以大規模擴展

(e) 中性原子陣列量子計算 (Neutral Atom Array Quantum Computing)
利用光鑷捕獲中性原子，透過 Rydberg 作用控制原子相互作用。
Qubit數量：
數位處理器：24
類比模擬器：289
優勢：同時支持數位運算與類比模擬，具良好擴展性
挑戰：2 Qubit Gate保真度需提升

(f) 核磁共振 (NMR) 量子計算
使用分子中的核自旋進行運算。
Qubit數量：12
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 \approx 99.98\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 \approx 99.3\% \)
優勢：室溫操作、長相干時間、適用於數位模擬
挑戰：難以擴展至大規模系統

(g) 光量子計算 (Photonic Quantum Computing)
透過單光子或電磁場模式的共軛變數來操控量子資訊。
Qubit數量：18（具個別控制）、255（九章 3.0）
Quantum Gate保真度： Single Qubit Gate \( F_1 \approx 99.84\% \)，2 Qubit Gate \( F_2 \approx 99.69\% \)
優勢：抗退相干能力、室溫操作、適用於分佈式計算
挑戰：光子-光子閘難以實現

(h) 拓撲量子計算 (Topological Quantum Computing)
基於non-abelian Anyon 的拓撲編碼，透過編織操作進行運算。
Qubit數量：實驗中
Quantum Gate保真度：N/A
優勢：天然拓撲保護機制、大規模糾錯潛力
挑戰：尚在發展中