量子计算技术的构架启示

量子计算技术的构架启示

RODNEY VAN METER Keio University and CREST-JST And

MARK OSKIN University of Washington

在这篇论文中，我们为量子计算技术提交一个分类方案，它以计算机系统构架特性为依据。文章描述了运行速度的工程交易，量子状态的脱散以及系统的大小。并发性，存储能力以及相互连接网络拓扑影响算法的高效性（当量子错误纠正以及必要量子状态测量是是逻辑时钟速度独一无二的驱动）。我们讨论一些被推荐的技术。最后，我们用我们的分类法研究一般计算线路的构造暗示，研究量子错误纠正的完成，并且讨论纠缠态的量子计算。

类别主题描述：C.1.m [信息处理构架]：杂项类；B.m [硬件]：杂项类

通常的术语：设计

添加的关键词：量子计算，量子计算机构架

1 介绍

量子计算时一个飞速发展的领域。跟经典机械不同，研究人员被大量计算机潜能所鼓舞。[Shor 1997;Grover 1996;Deutsch and Jozsa 1992]许多努力因此集中在两个研究的极端：在顶部端点的算法和复杂性理论，以及底端的量子门和量子存储技术。设计师要扮演的角色仅仅是设计可以高效运行算法的实用机器。

这项工作被the DARPA QuIST Program (ARFL-F30602-01-2-0521), NSF

Nanoscale Program (CCF-0210373) ， NSF CAREER grants (CCF-0133188)所支持. 也被the A. P. Sloan Foundation所支持.

作者地址：R. Van Meter, Keio University, 3-14-1 Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama-shi, Kanagawa 223-8522, Japan; email: rdv@tera.ics.keio.ac.jp. M. Oskin, University of Washington.

做数字或者硬件拷贝的许可是免费的。这项工作的版权归ACM所有。摘录是允许的。再发表，在服务器上发放，或者用这项工作的组件需要具体的许可或者花费。允许必须从下面地方获得：Publications Dept., ACM, Inc., 1515

Broadway, New York, NY 10036 USA, fax: +1 (212) 869-0481, or permissions@acm.org. C_ 2006 ACM 1550-4832/06/0100-0031 $5.00

开始被探索[Oskin et al. 2003; Steane 2003; Van Meter and Itoh 2005]

这些系统的构架不能成为后来添加的想法。一个好的设计系统要更快，有更强的存储能力，和从相同的基础技术发展出来的设计相比，要有更强的防出错能力。因此它要有能力解决更大、更令人感兴趣的问题。系统构架师也可以帮助规划设备研究议程，通过证明系统级别的交换并且建立相关的重要且必要的对于各种各样技术特征的完善。因此，量子计算机的系统构架对他们能否成功起到关键作用。它的研究工作对该领域至关重要。

在这篇论文中，我们希望以分类法的方式提供一个有用的线路图，研究一些大有前途的量子计算技术（这些技术源于构架研究员的观点）。我们也会以具体的形式来论证如何从一种分类法中应用这种信息，分类法基于评估量子算法，量子错误纠正，以及纠缠态量子计算的新论题。

当为一个新的量子计算技术检查一个提议时，构架师准备问一些基础问题。有如下的： 1 它能正常工作嘛？ 2 如何控制它？ 3 它如何按比例排列？

4 它有多快？

5 我们可以做什么样的交换？

在这篇论文中，我们集中回答2-5的问题，顺便注意下问题1的最新状况。问题1对设备物理学家来说是一件大事，然而，构架师需要意识到大规模系统的大量生产所带来的

潜在挑战因为那些挑战只要当量子计算机被生产出来的时候才能口头表述出来。更多的是，构架师通过开发他们的专业设计技术来缓解那些挑战。

问题2对构架师来说非常重要，因为这些量子技术的经典控制是一个复杂的构架问题。其中的一些技术将整合量子比特的重要经典逻辑，当其他人要剥夺经典控制的时候。设备量子端对应的东西，运转速度，高速正确的量子比特测量的必要性，控制生产在控制系统和量子设备之间接口的一种需要。

问题3是最重要的。如果你不能生产包含几百到几千应用级别量子比特的大规模系统，设备不可能摆脱“lab bench”状态。然而， 这个问题及其复杂，因为技术能力、物理技术的有限。对于这个原因，这篇论文中提到了延展性。

这些技术的速度（问题4）很重要，有两个原因。第一，计算速度、出错速度决定了量子计算机能否被做出来以及那计算机能做些什么。第二，不管计算机系统复杂性的优势（量子计算模型和经典计算机模型对比），使用量子算法的计算结果需要大量的门。千字节长度数字的分解是O（n3）。为了处理脆弱量子状态的高出错率，一个重要的常量要放前面。因此，计算的基本速度仍然是量子系统和他们最终有用的重要考虑因素。[Van Meter et al. 2005]

最后，问题5是构架研究的核心。我们要研究不懂技术的特征，来和其他技术交换。举个例子，同时发生的门执行对于错误纠正和应用计算是非常值得向往的。然而，对于一些技术，大量生产共同的构架是复杂和昂贵的，当对于其他高出错率的技术共同结果或者更多复杂信号处理时。

这篇论文不需要对量子理论非常细节的理解。我们建议感兴趣的读者读著名的技术文章。[Williams andClearwater 1999;Nielsen and Chuang 2000; Preskill 1998a;Spiller et al. 2005; Galindo and Martin-Delgado 2002]在下一节我们开始描述量子计算设备的基础描述，基于我们的分类框架。第4节用这个框架阐述一些有前景的量子技术。第5节展示了应用、构架和技术的接口方式。我们在第6节以一个讨论做为结论。

2.基础需要

DiVincenzo [1995]描述了真实存在的量子计算设备必须具备的5个能力。量子计算机必须：

1 是个有延展性的物理系统，有完好定义的量子比特 2 初始化成已知的状态，优于计算。

3 有充足的脱散时间 4 有量子门的统一设置 5 允许高效率的量子测量

两个增加的条件集中于两个量子计算机之间的移动量子信息。一个可视的量子通信技术必须：

6 能够在物理量子比特意识的静止和移动间转换 7 能够在特定的地址间转换

这些准则相当直接。项目1意味着必须有一些物理实体，比如离子的能量级别，光子的或者电子的旋转，那是量子比特的真正载体；它必须满足量子行为的基础准则并且支持两个远程状态（当作0和1来处理）。项目1也指“延展性”，不同背景下的不同东西；我们要研究它的系统方面。项目2十分明显：它重申“garbage in—garbage out” 原理 [Schulman

and Vazirani 1999]

脱散的关键性讨论或者量子状态的缺乏（项目3）是一个集时间、门出错、量子比特传输一体的功能。一个基础的理论计算把门槛提高了，量子计算机在10−4或门出错率104时是不能工作的[Aharonovand Ben-Or 1999]，但量子技术需要使错误率远低于准则门槛来防止错误纠正过程中的不恰当的费用[Steane 2003]。技术和构架特征评估有时候戏剧性地与这个理论门槛不同，会在5.2节讨论到。

为了满足标准4，计算机必须能够计算出一个小数目“通用”的门，可用于合成的更大，更复杂的门。这等于说经典计算技术应该至少进行一个NOR或NAND操作。对于量子计算机，这样一套通用的门是X门，H门，T门，和受控非门。对于这些门最重要的知识是X门，H门，T门是单bit操作，而受控非门是2比特操作。第二重要的是，X门，H门，受控非门相对简单地做出容错，而T门需要一个更加复杂的电路。

项目5需要有一个可靠的方法读出一比特的状态。在计算的端头，测量比恢复结果更加重要；作为量子纠错和编码比特门纠错的一部分，它经常发生。[Shor 1996; Calderbank

and Shor 1996; Steane 2003; Gottesman 1999; Steane 2002]

项目6和7专门处理长距离为目的的移动量子信息计算。一个重要的前提标准6是，它只适用于系统，计算复杂的量子算法通过共享状态。它不适用于其他用途的量子效应，如

量子密码学[Bennett and Brassard 1984; Elliott et al. 2003]与基本量子传态的论证[Bennett et al. 1993; Furusawaet al. 1998]（虽然传输可用于量子计算机体系结构[Gottesman

and Chuang 1999;Grover 1997]）

这些标准已被用来作为基础，评价量子计算技术。[Nielsen and Chuang 2000; Spiller et al. 2005; ARDA2004] 他们是一个必要的能力，但没有足够的了解难以建立量子计算机或其速度和实用。

3.分类框架

为了提供建筑研究人员的一个有用的指南评价量子计算技术，我们已经制定了一套分类标准。我们将描述每个标准以及它的一些高层构架的影响。在下一节中我们将使用这几个分类评价已经提出了的计算技术。

3.1 基本特征

静止，飞行，和移动。量子计算技术可以分为2大类：以不断移动现象（光子）为代表的量子比特和以静电现象（原子或电子自旋）为代表的量子比特。因为现象是移动的，门是影响量子比特的物理设备。这些流经过门的称为“飞行量子比特”。光学实现通常属于这一类。对于“固定”的现象，量子比特从一个应用程序中占据一个物理地址和门操作。“固定”的概念只适用在门的操作。一些固定的技术，如提出的可扩展的离子陷[Kielpinski et al. 2002]，允许物理量子比特承载者移动到一个门的应用；我们称为“mobile”量子比特。

要区分固定和飞行实现的关键的原因是动态控制。飞行中的一个量子比特的设备，门的顺序和类型通常是必须事先固定，通常在设备构建时间；不同的程序的执行是通过经典控制开关，路由量子位通过在电路的不同部分。一个固定的量子器件具有更多的灵活性来重新配置门。在这个意义上，固定装置像经典的编程，而飞行量子位的设计更像是经典电路设计。[Yao 1993]

单系统VS集成系统。在量子计算技术的一个显着的区别是选择集成计算或单独计算。在整体计算中，通常采用静态量子比特系统，有许多相同的量子计算机都接收相同的操作和执行同一个程序，在同一数据上（除噪声）。单系统有能力直接控制一个物理实体，是用来代表量子比特。从技术角度看，集合系统更容易进行实验，如技术的操纵和测量大量原子或分子是很好的理解。因此，量子计算系统最大的示威活动的日期都是bulk-spin核磁共振[Vandersypen et al.2001; Boulant et al. 2003]，它使用一个集成的分子计算。

测量。为了计算可靠，并且能够观察结果的计算，计算技术必须支持一个读出过程。

该读出，称为测量，观察到的量子态，产生一个经典的结果。四功能特点的不同测量方案：1.

多量子比特能否并行执行？能否被序列化？2.量子比特的测量需要与另一个“clean”量子比特进行借口来产生一个结果吗？

量子系统的可靠计算将意味着，许多，不是大多数，的量子操作将被测量。从构架的角度，如果必须进行连续测量或十分缓慢，阿姆达尔定律将生效，测量会遇到瓶颈。此外，如果额外的“干净”的量子位元需要测量的发生，那么我们必须计划使初始化过程经常发生。同样，如果技术在测量可以发生时，那么这些将需要设计到体系结构中。

错误过程和。量子纠错的基础理论已经被人们知晓十年之久，但它仍用作技术应用。量子纠错传统上依赖交错的测量和逻辑门，最近在这方面有实验进展。然而，它是可能在没有测量的情况下执行量子纠错，以一些ancillae（“临时”可变比特）为代价，随着纠错应用的数量上升。

一些技术中的量子比特受到错误的影响，使他们服从修正通过量子纠错。被称为无消相干子空间（dfses）的额外技术是特别有用的，当附近的量子比特受到集体错误过程时。

在光学系统中，主要来源的错误是光子损失。在这种情况下，纠删码（对比纠错码）更有效，因为它很容易确定哪些比特已经失去了，就像在磁盘阵列中用奇偶校验。

3.2制造和运行环境

目前，所有可升级的量子计算技术是提议，而制造业的重要推动将把他们带到现实。然而，一些建议已经不是那么繁重的技术障碍。此外，某些提出的技术将更好地与现有的古典硅为基础的计算相结合。

制造的挑战。在何种程度上提出的技术依托制造业难以完成的进步？例如，早期siliconbased核磁共振依赖于能力涂料硅精确放置个人磷原子，并将这些具有重叠结构创建使用标准的集成电路光刻。所有的固态电路技术要求古典控制线（例如，[藤泽等人。1998；中村等人。1999 ]），这可能得益于预期的改善超大规模集成电路特征尺寸之后穆尔的法律[穆尔1965项目等。2003 ]。在我们的分类中，我们将突出主要技术面临的挑战，每一个量子计算的建议和讨论最新进展克服他们。

控制并行。尽管量子计算承诺的算法优势，提取并行量子算法仍然非常重要。对提出的一些技术，如硅核磁共振，串行算法的执行将耗时。例如，Kunihiro [ 2005 ]估计连续时间量子算法的保理530–比特数在1.18年为1 kHz装置（约核磁共振速度），10小时为一

路装置，或37秒为1GH装置。

幸运的是，有大量的并行软件（可在量子纠错和代管）。然而，运行这些并行的能力需要并行控制的技术。这种并行控制将需要大量的经典电路支持。如果这个电路不能被安装在量子比特附近的“芯”上，在传递控制脉冲的经典设备和包含真实量子比特的量子设备之间需要一个高带宽的接口。

操作温度。为了控制噪声，大多数建议，要求极低的温度下实现只有液氦。其他需要更冷毫开尔文温度通过稀释冰箱。这些低温不仅是业务上的挑战，但也会影响的能力，经典电路工作，复杂的设计过程的控制。

配套设备。一些技术需要复杂的辅助设备，特别是高频微波信号发生器和电压。一个或更多的这些每比特，可能是必要的；作为系统的规模，交换或分享这一设备或直接集成到芯片系统，可能需要。

3.3算法的效率特征

许多功能的各种量子计算建议将产生深刻的影响了执行量子算法的现实结构。 总有效比特。功能与单一最大影响的可扩展性，实用性，和可靠性的计算机实际数量的物理量子位可。超出最低要求对于给定的算法，额外的比特可以用来增加的可靠性通过误差修正或算法的并行性，我们表明在5节。

所有参赛作品在表二其次是问号，因为非常高的不确定性；在某些情况下，即使这些因素将是实际是不清楚。大部分研究者还集中在很小数量的量子位，他们还没有试图这种上限。

寻址能力。在某些系统中，解决具体的量子位是困难的，因为它是难以本地化经典控制（例如，微波电磁场）所需要的只是一小区域，一个量子位，占。一个解决办法，原来的劳埃德模型，提出了形成小团体的量子位将元胞自动机。每一个量子比特位置的自动机可以得到解决，通过一个具体的电磁频率。每一个自动遵循同样的程序，由电磁辐射覆盖整个装置，这是，实际上，一个完全并行多机。一个技术将元胞自动机成更容易控制的串行机是包括在元胞自动机的一个象征，通过从自动机自动机；只有自动机持有令牌执行指定的动作。我们期望设计架构和软件系统的技术没有能力地址和经营特定比特将是困难的。

布线。优化结构支持数据运动的一个有用的一类算法是一个关键领域，建筑师可以促进计算机。在许多提出的技术，只有邻量子位可以执行两个量子比特的门。无论是物理实体代表量子位（使用一个控制过程[ kielpinski等人。2002 ]）或国家（使用量子线[奥什金等。

2003 ]）必须在机内支持计算。在某些情况下，技术约束了互连拓扑一维线；在其他情况下，一个松散的二维晶格，全二维网格，甚至三维结构已提议[1993劳埃德]。一些建议支持远程门各种权衡，如有限的并发[你等人。2002 ]。

3.4时间和门的特性

自然的门。各组的门已被证明的形式基本基础集[ barenco等人。1995迪文森佐1994 ]。一套标准的通用门（，，，受控非门）就是一个例子，和所有重要的议案量子计算技术包括足够的行动提供或等效的通用设置。除了普遍性，然而，有三个重要特点。（1）该技术提供了一个任意单量子位轮换，或是合成×，小时和[尼尔森和庄2000 ]；（2）复杂的是合成一三量子位controlled-controlled-not（称为一个模板技术在，其发明者），这是常用的量子算法[ barenco等铝。1995 ]；（3）做具体的门有不利影响的量子位，不是预期的操作（即，其他量子位被暗中操纵）？我们将在下面更详细讨论这些。

任意单量子位轮换和controlled-arbitrary轮换是非常有用的原语。技术支持任意单量子位轮换不需要任何利用合成技术发展到近似，保存一个多项式时间开销。任意旋转控制（一二量子比特操作）是有用的，特别是量子傅里叶变换（量子）在心脏绍尔的算法[绍尔1994；和霍尔根2000barenco等人。1996 ]。

该模板技术在一三量子比特门，可用于合成的常规逻辑从量子比特（与非，也没有，等等），并出现突出绍尔的算法，这在很大程度上依靠算术电路。我们将仔细看看这5.1节。高效的建筑模板技术在是可能的，如果基本技术支持某些单量子位行动或任意单量子位轮换。

在静态量子比特的设备如离子陷阱ornmrsystems几个电磁脉冲，一般需要实现每门。一个典型的数字是五或六，虽然确切的数量和时间依赖的门被处决。一个副作用在核磁共振系统是附近的量子位都受到这些脉冲和隐式操作的。为了克服这个困难，额外的控制序列称为解耦脉冲需要。

连贯性与操作时间。上好的分离从环境的影响是长期的连贯性的时间，或时间，一个量子比特可以保持。”作为一个广泛的推广，这些技术依靠电子量子状态保持有短的一致性，因为电子是相当移动，往往与他们周围的环境。技术，利用核效果更稳定。然而，不利的良好的隔离环境的影响是相对缓慢的运行时间为两个量子比特的门。在我们的技术审查，门和相干时间相差八个数量级以上[拉德等人。2003 ]。相干时间是一个特别重要的研究领域，将受到潜在的巨大进步作为质量控制技术的进展。闸门操作时间，然而，往往是直接相关的物理过程的灵活性有限的工程参数。

3.5其他特点

逻辑编码。量子算法被用来操作抽象的逻辑量子比特。然而，量子逻辑并不总是代表一个单一的物理现象，如单离子或光子。我们称软件操作的实体为量子逻辑（当涉及量子纠错时，为编码量子），由技术使用，用来实施它们的实体称为基本量子。这和上述集成/单例的区别是不一样的。

在一些技术中，比如在量子点的电子测量（电荷），一个双轨编码被使用。同样，单光子可能需要通过一个电路或左或右的路径，对应不同的逻辑量子态（即0或1）。在这两种技术中，将单量子点（或者路径）作为单个量子比特是可能的，但是我们要安排好计算和测量以采取编码对。

可伸缩性。，对于大多数的架构，扩展到大量的量子是所有上述，或者更多因素的作用。其他因素尚未被描述曾具体技术。例如，在光刻技术为基础的系统，包括芯片上的I/O垫，配套设施比如机架式微波发生器，简单提供足够控制线给这样一个小装置的实际挑战。一些提案表明因为这些因素的存在实际数值达到的上限。但他们却是构建系统的成功的关键。在下一节中，我们将重点介绍被视为为每个技术的主要可扩展性。

量子I/O。我们可能想要移动量子态从一台设备到另一个设备。这有可能重要的各种原因：我们可以简单地聚合多个设备成一个更大的设备，或者远的节点可能提供不同的计算能力（例如，长期储存）或访问不同的数据。在一些情况下，我们可能希望在不同技术设备间移动量子数据。

量子的I/O（QIO）是一个非常容易出错的过程。因此，它是通过

首先使用量子I/O在“空”的粒子上来完成，我们称之为量子I/O站点，同时创造了一对设备之间的纠缠态。一旦纠缠的状态存在通过称为纯化的过程被证实，它就可以利用量子传态来传输任何想要的量子态。[Bennett等，1993;Furusawa等，1998; Lloyd等，2000; Matsukevich and Kuzmich，2004]。

问题出现在表格I的QIO实体中，因为在结构上类似于那些期望在量子计算机中使用的试验演示还没有完成，因为足够的保真度还没有被证明。在某些情况下，由相关的扎实的分析所支持的基本的试验确认以及建议存在着，在其他方面，一篇长的文章中只有少数的句子。

表I量子比特技术的基本特征

技术 静止/飞行/移动 单/多 量子I/O 测量 参考 Si NMR 静止 多 N 机械振动 并发 频率分析 [Ladd et al. 2002] solution NMR quantum dot charge 静止 多 N 并发 频率分析 [Vandersypen et al.2001] [Loss and DiVincenzo 1998] 静止 单 Y? 并发，片上辅助结构，大小，结构类似量子点 scalable ion trap 移动 单 Y? 有限并发 光诱导 荧光 [Cirac and Zoller 1995; Kielpinski et al. 2002] [Pashkin et al. 2003; You et al 2003] [Kane 1998] JJ charge 静止 单 Y? 并发 片上电荷检测 Kane model 静止 单 N? 并发 单电子自旋测量 LOQC 飞行 单 Y 单量子比特 通过单光子数字解决光学检测偏振 [Knill et al. 2001]

4.量子技术

在本节中，我们调查了使用在上节描述的分类框架的各种建议的量子计算技术。我们选择把重点放在七个技术：硅核磁共振，磷核磁共振，核磁共振同业，量子点电荷，可扩展性离子阱，约瑟夫森结电荷，基于线性光学系统。这个选择，绝不应被理解为详尽无遗，

许多其他可行的方案依然存在[Brennen et al. 1999; Folman et al. 2000; Shahriar et al. 2002; Pellizzari et al. 1995; Childress et al. 2005]。这些系统被选为他们的短期和长期的可实施性，可扩展性，教学兴趣。这个信息汇总在表格I-v中，下面我们将简单的讨论每种技术及它们的架构含义。

表格特定量子比特技术的特性对算法效率的影响

技术 并发 最大量子比特数 Si NMR 由压制无关量子的活动能力所 solution NMR 由压制无关量子的活动能力所 quantum dot charge scalable ion trap 控制机制所 由激光活动地点所 大？ 开放的，不规则的，最多2-D JJ charge 由耦合机制所 大？ 1-D,2-D 长距离可能性？ Kane model 控制机制所 LOQC 不？ 大？ 大？ ？ 物理路由，基本无限 1-D,2-D 本地化，片上系立控制 物理位置 Y Y 大？ 小几十？ 线性最近邻 有的非邻居 线性最近邻 本地化，片上系立控制 个别离子和链从可寻址的存储到活动点 本地化，片上系立控制 Y N Y 频率决定，所有 Y 几百？ 线性最近邻 频率决定，所有 布线拓扑 定址 所有量子是否可操作 Y

4.1核磁共振溶液

大概到今天

为止，量子计算中最最完整演示是Vandersypen等人在2001年和Boulant等在2003年提出的核磁共振溶液实验方案。在核磁共振系统中，一个原子的原子核的自旋代表量子比特。当被放置在磁场中，自旋进动和自旋可以通过微波辐射操纵。在核磁共振溶液中，一个精心设计的分子被使用，分子中的一些原子有核自旋，他们很容易受到辐射，辐射频率的改变取决于在他们在分子中的位置，所以不同的量子比特用频率来标示，分子的许多拷贝在液体溶液中运动，每个分子是一个单独的量子计算机，他们单独运行，有大量提供的足够的信号强度用来读数，这是典型的集成系统。核磁共振溶液已经被用于使用shor的算法来分解15的因子，这需要720毫秒[Vandersypen等人，2001年]。迄今为止最大的演示是12量子比特[科里，2004年]。

此集成系统不需要任何特殊的冷却装置。然而由于信噪比随量子比特数

目增加而降低所以它的可扩展性被认为是相当有限的。

优点是：良好的相干时间，室温操作，先进的实验验证 缺点是：慢门，可扩展性差，难以并发操作

4.2 Josephson结

基于Josephson结的量子计算设备是超导体系统[Shnirman等人。 1997]。它们有三种方式：用电荷代表量子位（如在图1所示的装置）[中村等。

1999年Pashkin等],用电荷通量代表[Mooij等，1999年; Chiorescu等， 2004],用相位来代表 [Yu等，2002年; Martinis等，2002年]; 大部分

表中的信息适用于所有三种。在氮化硅绝缘基板上使用传统的电子束光刻和阴影铝蒸发技术在完成制备工作。在JJ电荷量子比特，亚微米大小的超导盒（本质上是一个小电容）耦合到一个更大的超导层。在超导体中，电子移动对被称为库珀对。用盒子里面的库珀对来代表量子比特（0或者1，或者是两者的叠加）。同样，对于磁通量子比特，库珀对被引入到超导环，他们在那里分发和诱导量子化的磁通量。由于磁通量子比特闸门时间慢，但是相对更长的连贯时间，使得实验结果表现得要向磁通量子比特的路径转移。

在电荷量子比特的一个可伸缩的形式中，定位任何两个量子比特并且连接它们是有可能的。这通过一个共享的电感来完成，在这个方案中，操作只能涉及线性阵列中相邻的量子比特的被去除了，但执行仅限于一次一个门操作。一个不同的提议是，在只有相邻门的一维结构中连接相邻的量子比特。但可能需要允许的量子比特的并发门[Lantz等，2004年]。

优点是：非常快的门，先进的试验示范，简单的制备

缺点是：低的相干时间（相对测量时间来说），对背景电荷的波动和当地的磁场敏感性

4.3

全

硅的核磁共振系统

Ladd等已经提出了一个基于全

硅的核磁共振量子计算机，它用放置在跨过0原子核（Si28和Si30）的自旋微桥一条直钱上的Si（29）的核自旋（自旋1/2核）来储存量子比特，如图片2所示。这是一个集成系统;10的5次的拷贝需要得到足够的信号进行测量。通过磁共振力显微镜（MRFM）来读数，读取桥的振荡。用偏振光（光泵）设置电子的自旋，再通过电子完成核磁共振系统的初始化。通过设备的定向微波辐射在完成操作。一个微型磁铁提供了一个高磁场梯度，使单个原子能根据频率来定位。

优点是：很长的相干时间

缺点是：慢门，没有QIO，测量仍在设计。

4.4可扩展的离子阱

可扩展的离子阱是将存储区域和交互区域明显分离的少数系统之一[Kielpinski 等，

2002年; Wineland等，2005年;Kim等，2005年; Metodiev等，2003年]。它最初被设计和建在NIST，这是一个建议以用来扩大离子阱量子计算机[Cirac and Zoller 1995;Steane 1997; S?rensen and M?lmer 2000;Schmidt-Kaler et al.2003]。在离子阱系统，量子通常储存在个别离子的能量水平。早期的离子阱实验在一个单一的陷阱举行的离子具有小的数字，已经让位给了大量相互关联的，单独控制的陷阱系统。在可伸缩的陷阱系统，离子利用磁场被逐个的移来移去，直到他们到达指定运营系统中的位置，如图3所示。小数量的离子都汇集在一起形成链以执行多量子比特门。门受激光脉冲的影响，读数也有激光脉冲来完成，该激光脉冲根据原子的状态创建一种状态（被解释为1）和0的状态。门时间是适度的，速度可以在14-100kHz的范围内对保真度来说被平衡。整体系统的性能可能由离子的运动时间决定（这个取决于距离和拓扑），这个时间是为创建和原子链的时间，冷却运动过程中加热原子的时间，复门操作时间。该运动的操作是不可能允许一个门的速度超过20KHZ

的。

优点：存储可扩展性;

缺点：慢门，并发操作和测量的。

4.5全光

全光系统有两

种形式：取决于执行门操作的非线性效应的影响的形式，唯一必要的是非线性测量的形式，被称为LOQC（线性光学量子计算）[Knill等，2001年]。全光系统的研究集中于利用必要的定时精度，门基础上测量，高品质的单光子探测器能够产生精确数目光子的光子源。基于测量的门本身就是概率性的。虽然已经被证明这些门可以被构建成一个可伸缩的反馈网络[Knill等，2001年; Ralph等，2005年]。 当前实验大量的工作重点放在这一做法上，并且个别的门已经被证明是可以工作的[Pittman等，2002年; O’Brien 等，2003年; Pittman等，2003年; Gasparoni等，2004年; Sanaka等，2004年].抖动和偏斜可能被“停止光”（电磁感应透明创建）来管理， [Fleischhauer and Lukin 2000;Harris 1997]。

优点：充分理解物理属性和容易制造;

缺点：光子的损失;非线性系统，弱非线性效应使门质量差;概率门高资源需求。

4.6量子点

一个“量子点”，被用在量子信息处理中，是一个光刻定义的结构，该结构使电子局限在两种材料之间的边界层，创建一个二维电子气（2DEG）。通过改变周围的电势，单个电子可以在小范围内的位置，被称为量子点。一个量子比特可以由一个量子点的电子的数量决定，也可以由量子点的单个电子的自旋和能量级决定。

一些量子点的器件正在开发。一个实验性的先进方法是使用一对量子点作为双轨道编码的逻辑量子比特，单电子在左边代表逻辑0点，在右边代表一个逻辑1 [Fujisawa等1998]。另一种方法是使用单电子量子点的线性阵列，并且在大量的电子自旋中对量子比特进行编码[Loss and DiVincenzo 1998]。

在第三种方法中，DiVincenzo等在2000年提出的唯一需要的操作是相邻量子位的交换，该操作通过降低电势并且允许电子进入隧道来完成 [DiVincenzo et al. 2000; Loss and DiVincenzo 1998; Myrgren and Whaley 2003].完成比精确控制磁场来的容易，精确控制需要用来影响特殊可寻址位上的其他门。

也许这种方法最大的缺点是仅交换计算，需要在多个物理量子上对一个单一的逻辑比特编码。举例来说，一个控制非门需要每个逻辑量子比特被编码成三个物理量子比特，而且交换时间必须控制得相当精确。邻近的逻辑量子上的受控非门需要19个交换操作[DiVincenzo等，2000年],但是Myrgren和瓦莱[2003年]发现有趣的优化，使非邻居操作要比明显需要重复使用19次交换受控非门的方案少28％的总操作影响。持续的编译器的工作可能会进一步减少编码的执行时间代价，但是重要的存储代价依然存在。

优点：先进的制造 缺点：低的相干时间

4.7Kane 固态核磁共振

凯恩已经提出了一个具有良好的可扩展性的固态核磁共振系统，建在超大规模集成电路技术之上以便控制 [Kane 1998]; Oskin, Copsey等人从事着工程研究的工作，提出传态可能需要用来长距离移动量子比特，甚至用来进行量子纠错 [Oskin等，2003; Copsey等，2003年],而且量子制备方面已经取得了一定的进展。在这个系统中，单个磷原子嵌入在硅衬底上，标准光刻技术用来在表层上建立控制结构。量子比特用磷原子核的自旋来表示，相邻量子比特的交互作用通过超精细的交互作用被耦合到原子核的电子介质来传导。通过内置在硅表面上的控制结构来控制电子波函数的形状。邻近的磷原子和控制闸门调整为P杂质的准确性之间的距离将确定比特交互的质量。

优点：相干时间长

缺点：难制备，要在电子波函数中创造足够的重叠。

5 构架和应用

在这一部分，基于量子运算的影响，误差管理的各种形式，集群状态计算的新方法。

5.1 计算

目前因式分解的世界纪录是576位。在此之前，世界纪录是539位，是2003年使用104台电脑和工作站在一个月内完成的。基于摩尔定律的CPU增长速度（忽略通信，内存和I、O端口），在当前500-600比特的范围内，数字筛选器分解最大的因式每年以18比特的速度增长，这的确是RSA Challenge数字显示的[Knuth 1998]。虽然以前的估计数字分解将于2018年的接近1024位比特，但在我们推测的基础上，最近取得的进展，再过一个25年它可能仍然遥不可及[Cavallar et al. 2000; Lenstra et al. 2003]。

一个576位的数字，在一个使用一个月使用一台量子计算机，满足Shor的算法要求，首先要做的是一个连贯的状态保持跨越几千年的逻辑量子月份，必须通过使用量子纠错。其次，需要的0.3Hz至27Hz的逻辑时钟速度。在本节中，我们使用一个例子，量子计算机的体系结构如何影响算法的渐近性能和其常数因子的算术[Ercegovac and Lang 2004]。在它们的资源需求和执行时间表。有些算法是固定的，而其他人可以利用增加的空间和并发性，从而实现更大的并行性和减少电路深度。

例如，考虑到模幂是Shor的分解算法计算最密集的部分。研究人员已经对整体幂算法着手研究 [Vedral et al. 1996; Beckman et al. 1996; Zalka 1998], and on arithmetic building blocks [Gossett 1998; Draper 2000; Cuccaro et al. 2004]。然而，虽然相对较小，但已经完成对这些算法映射到现实架构，或错误修正[Devitt et al. 2004; Fowler et al. 2004; Yimsiriwattana and Lomonaco Jr. 2004; Van Meter and Itoh 2005; Vartiainen et al. 2004]。

已被证明，虽然计算复杂度是O（N3），电路深度为O（log3 n）的exponentiate三个重要的条件得到满足时，一个n位的数字：架构支持所有粒子的并发闸门，其（N3）应用程序级量子，系统在任何地方的任何两个量子比特可以不受处罚交互[Cleve and Watrous 2000; Van Meter and Itoh 2005]。

当不能满足这些标准，性能会受到影响。只有O（n2）的量子比特可用时，并行算法是有限的，电路的深度增加至O（nlog2 N）。一个普遍提出的架构是近邻只相互作用，从而增加了深度为O（N log n）的量子比特的线性链。进一步减少的可用空间量再次增加了渐近深度。慢0.3Hz量子计算机的上述建议的假设可能的最高的并行性和支持长距离门，而27Hz的计算机上使用高并行，但相邻最近的门会出现相互作用。图4和图5显示了两种类型的量子加法电路的Vedral Barenco-Ekert（VBE）中随身携带的纹波加法和德雷珀-Kutin-RAINS-Svore进行超前加法。首先，两者之间的差异最明显的是“忙”图出现。 纹波进位加法器显示，大多数量子比特处于闲置状态，在大部分的计算，等待整个电路的进位纹波（返回，作为清理操作）。进位前瞻加法器是非常密集，并行执行更多的大门，实现其在更少的时间步的工作。

其次，最突出的视觉差异的门（垂直线段）的跨度。纹波进位的加法操作只能在附近的量子位，而进位前瞻加法leapfrogs很长的距离。这使carryripple加法O（N）延迟，比为O（log n）的结转超前，如果长途盖茨支持。此格式的电路图抽象了量子物理的布局，和任何其他比线性近邻的布局，给人错误的印象，“附近。”因此，我们已经开始动画更复杂的动作部分电路拓扑 [Van Meter 2005]。

图4.八位量子VBE的纹波进位加法器。每个横线代表一个量子比特;横轴是时间（显示在图的顶部）。每一个垂直的线段或圆代表了一个，两个或三个量子比特的门。电路的“V”形状显示的纹波扛下来（必要时清理临时变量）。

表六我们各种technologies.For例如加法器，匹配列表建议，傅立叶加法器的使用空间只有2N，3N标准纹波进位加法器相比。但需要n并发门实现的O（n）的时间约束时执行量子傅里叶变换（QFT）的移动号码流入和流出的傅立叶表示，相比2并发随身携带的纹波。傅立叶加法也需要类似的精确旋转在量子场论，这可能是难以准确落实。新设计纹波进位加法器使用2N的空间和小的并发，使得它现在在许多情况下的首选[Cuccaro et al. 2004]。

同样，一些项目推荐条件和carrylookahead加法器，其中有几乎相同的直径（log n）的潜伏期。一个conditionalsum加法，需要更多的空间，比随身携带的超前和并发。然而，它有不同的地方特色，这可能会使它映射更好一个不规则的建筑。尤其是可伸缩的离子阱并发，但离子必须移动的距离可能有两个或两个以上的因素性能的影响，使当地可取的;这样一个系统的设计尚未足够先进，明确提出的两种类型选择加法器。

为二维布局凯恩格子，由于移动通信成本量子比特，一个理想的直径（log n）的加法可以达到延迟只有O（n）。

图5. 八位量子携带超前加法。每个横线代表一个量子比特;横轴是时间（显示在图的顶部）。每一个垂直的线段或圆代表了一个，两个或三个量子比特的门。

约瑟夫森结量子比特，我们建议使用长的距离感应或电容转移结构，只有当并发操作，可以保存至少在某些量子比特。一个单一的长途交替循环互动和许多近邻的相互作用将是足够的。设计其中只有一些量子比特可以长距离传输，而其他近邻执行并发操作似乎身体合理，并且会导致中间的性能，可能使用一个随身携带选择或有条件和加法。将取决于混凝土的性能分析这样的异构架构的细节。

在系统设计中，并发性问题是所强调的一个重要因素。相比较于容错门误差率，FT门执行时间以及QEC程序，并发性依赖于量子记忆错误率，大量的计算时间“空转”量子发展成无法纠正的错误。

基于量子技术的影响

表6. 量子位的加法器的技术和选择

技术 硅核磁共振 核磁共振溶液 一维量子点 一维JJ负载 一维kane模型 可扩展的离子阱 加法器 carry-ripple carry-ripple carry-ripple,Fourier carry-ripple,Fourier carry-ripple,Fourier carry-lookahead, conditional-sum 浓缩度 2 2 2或n 2或n 2或n n或2n 延迟 O(n) O(n) O(n) O(n) O(n) O(log n) oskin晶格 carry-lookahead, conditional-sum n或2n O（n） 全光 carry-lookahead, conditional-sum n或2n O(log n)

5.2 错误管理

这个领域的错误管理实际上由几种不同类型的技术,每一种用来防止不同的错误过程。量子纠错(QEC)和相关的容错(FT)的方法是基于经典的修正错误代码。第一种并且也是其中最重要的一种代码是Calderbank-Shor-Steane (CSS) 码 [Calderbank and Shor 1996; Shor 1996;Steane 1996; Preskill 1998b]。QEC和FT的理论和实践（包括实验证明和系统设计）的操作是大量的，在这里，我们不涉及任何深度的问题。然而，对于QEC和FT强加于基于量子计算机技术的影响所造成的压力的初步了解是至关重要的。QEC和FT要求连续制备和测量套ancillae(临时工作)量子位元，并且将量子计算的总成本提高到高达四个数量级使得每个层次的QEC都能组成一个系统。这个系统要求两个或者两个以上的层次好像还是有必要的。逻辑系统的时钟速度将大约符合QEC的周期和相应的速度比，相应地落后于物理时钟速度,尽管准确的比例将依赖于两个方面:一technologyand和machine-dependent细节。

这些QEC码编码的一个或多个量子位元存置于一个代码词。错误症状在这个代码词中不断地被估算和测量，并且一些纠错行为应用于这个代码词中。在错误测量中对结果有关键影响的部分是误差控制过程。它强迫（“项目”）某种状态要么回到好的状态（以很高的概率）以返回零（没有错误）作为标志，要么回到坏的状态（以很低的概率）以返回非零作为标志。当返回标志是非零时，一个或者两个纠错们就会显示出来并且加以应用。不

幸地是，这种计算和测量也会引入误差。这种支持只有最近的邻居相互作用的技术为了计算错误状态需要交换量子位元，但交换门自身就很有可能会引进误差，这也使有效纠错的阈值要求更为严格。在一些研究中，差不多有175倍的差距。应用两个量子比特门可能会导致在传播到另一个从一个量子比特的错误，甚至从目标到其控制的大门。然后，要检索的错误的平价计算，不能进行直接的计算，但间接必须运行在一个纠缠态尤其是准备阻止这种传播。编制该状态需要许多量子比特的码字本身，并且这可能是QEC自身的驱动时间。和闸门时间相比，量子比特的测量在一些技术上要慢一些，所以这些时间也包含了周期时间。

和经典系统相比，QEC的花费是非常高的。一个单个的量子比特可能会编入5到9个量子比特用来防止单一的错误。五量子比特的编码是难以操作的，因此7位的Steane码通常用于著作中。借用于经典系统，较大的编码也是可以的。这些存储比一般保持在3:1或者适度大块面积。存储在相同块里的逻辑量子比特进行逻辑操作变得非常困难，所以量子比特首先被交换出去，然后进行逻辑门操作，量子比特再被交换回来[Steane 2003 ；Steane and Ibinson 2003]。

QEC一般涉及的单比特错误。一些错误进程（例如，杂散磁场）同样可能会影响附近的量子。一项被称为相干自由子空间（DFSes）的技术通过有效的不同的逻辑比特编码来抵制这些。这项技术源于经典的可擦除码，比如这些代码通常用于RAID阵列，对光学系统有很大的帮助，在该系统中光子的损失是一个关键的误差过程[Knill等。 2000]。误差的测量得到状态的离散化形式，QEC通过这一形式有助于控制量子比特模拟状态下的误差。基于onNMRcombine其他技术通过多个子门旋转到一个单一的门来制止旋转误差直接在单量子比特操作。

作为量子比特的误差进程空闲时，或者同时被使用时，纠错系统中的总误差是取决于机器的大小以及正在执行的逻辑门的数量。例如，如果每个量子位必须是以十分之一的QEC周期率进行刷新，那么我们必须建立一个这样的系统。在这个系统中，在相同的时间内十分之一的量子比特要经过QEC方法的检测。较长时间的等待会增加错误的概率，因此必须权衡QEC等级的数量以及这项工程初始化和测量的难度。量子点和超导量子比特需要额外的芯片结构进行测量[Petta et al. 2005]。这将布局的灵活性和消耗死空间。如果可能的话，在整个芯片上执行QEC序列倒是可取的。然而，在短期内，它可能需要使用芯片信号发生器和控制电路，要求宽，高带宽I / O接口芯片本身。对于可伸缩的离子阱系统，许多激光束必须激发许多离子。可能需要复杂的光学和光子探测器来一次读出许多量子比特的状态。

CCD相机涉及直接权衡速度与噪音，而雪崩光电二极管需要低温操作难以集成和光子计数

器[Kim et al. 2005]。

为了有效地管理错误，那么，我们可以说，一项技术必须支持大量并发量子比特的状态制备，门和测量。由于所需操作要比DRAM刷新周期复杂的多并且该操作接近于通用门集，大规模操作在结构上的差异性使其类似于经典系统的CPU/RAM二分法是不可能的。然而，存储核自旋量子在比特系统并且同时进行积极门闲置和转移电子自旋在小规模操作中已经被提出[Steane and Lucas 2000; Kane 1998; Mehring et al. 2003; Jelezko et al. 2004; Childress et al.2005]。

5.3 集群状态计算

近年来在量子计算的理论最令人兴奋的进步也许是是发展集群状态计算，或者说是单程计算[Raussendorf et al. 2003; Nielsen 2005; Walther et al. 2005]。从理论上讲，集群状态计算为设计计算提供了一个更为广阔的数学平台；而在实践中，最好理解的用途是作为上述电路模型的底层以此得以应用。群集状态的计算利用量子计算的能力，而不同于基本的电路模型。在合理的计算开始之前，需要创建一个非常大的纠缠态，称为群集状态。通过单量子位的测量，只有在特定的序列，沿轴动态选择，根据以前的测量结果来进行计算。集群状态的成长是随机的但是可以预料到的；也就是说，无论某次的操作成功与否，如果有必要的话，它都会让这次操作重新尝试一次。虽然集群状态计算是一个抽象的东西，但当前研究的热门量子变现计算很有可能基于这些东西。[Knill et al. 2001;Nielsen 2004]。

集群状态计算和量子计算的一切形式一样，是受误差影响的过程，需要管理。最近的研究提出使用“自下而上”建筑层，容错群集状态作为一个中间层和顶部的应用程序算法[Nielsen and Dawson 2004; Dawson et al. 2005; Varnava et al. 2005]。集群状态的容错功能也已经为光学开发出电路模型[Ralphet al. 2005]。

在其最朴素的形式，集群状态计算需要巨大的物理资源。在5.1节所示的电路图表对应的物理资源，垂直维度和水平维度对应时间。集群状态计算时，物理资源假设对应于这样一个图的整个面积，这张图乘以一个因素占的资源为一个单一的群集状态。时间维度“重新出现”[Raussendorf et al. 2003]；对于一些电路来说，一旦集群状态建设是完整的整个算法，这种算法由单一量子比特的测量构成，那么它变可以在一个周期时间内执行。然而在实践中，存在着两个障碍。第一个障碍是资源的需求。例如，许多量子比特在集群状态模型中所需的资源是VBE加法器在电路模型中的一百倍。第二个障碍是最“有趣”的算法，包括任意使用Toffoli门不能同时进行集群状态计算，这是因为量子比特测量轴的选择依赖于之前的结果。例如，一个VBE加法器的执行时间与更传统的电路模型一样。因为集群状

态的产生，在非线性光学下其效率比直接执行门操作高的多，这就使第一个问题得到了一些缓解。通过在计算和刚刚建立的集群状态的样式上使用滑动窗口使得两个问题都得到了一定的缓解。这样就允许更少的资源，并且也减少了错误管理的约束。经过缓冲的集群状态的数量取决于增长的集群状态的成功概率的细节。这个物理系统要么支持一个可配置作为圆柱体（包装右边缘集群开始）的逻辑拓扑结构，要么整个集群状态可以通过机器进行转移，因为在左边资源被消耗的同时在右边也有需求。

基本的群集状态，在逻辑上是一个二维网状连接最近的曼哈顿邻居（虽然其他拓扑结构已经被提出特定用途的）。它可以构建任何物理变现的拓扑。

光子的传播距离是非常元的。集群状态计算似乎没有充分利用这个能力。门操作是一个很长的逻辑距离，正如图5所示，“线”奠定了整个集群状态。这会消耗空间资源，但可以执行整个线在一个时间步长，从一个群集的一部分到另一快速移动的状态。

最后，基于光子的量子计算的一个问题是存储。一项最近提出的建议是使用单独的固态量子和光互连建立一个合适的丰富互连的集群状态[Lim et al. 2005]。这个应该会很有用。

6 结论

在这篇文章中，据我们所知，到目前为止，是第一次尝试组织有关计算机的信息，尤其是在其可扩展性，可执行性以及基于卷积的一些特性。我们已经打破分为固定式和飞行量子位的量子技术，并已在固定移动量子比特的子类。固定比特技术包括单一和集成系统。我们已经奠定了评价标准，使人们有可能比较技术，并确定这将是有用的系统不同的角色，如何应用算法可以映射到各种架构编译。

这里讨论的每个技术都有自己的一套特别的技术难题要克服的障碍，然后才可以考虑如何应用于实际。基于核磁共振的系统具有缓慢的闸门时间，但却具有良好的相干时间。如果QIO机制可以被设计出来，它们会成为良好的存储设备。但核磁共振系统基本上做不到充分满足这些机理。约瑟夫森结器件和量子点有极快的闸门时间，然而，其相干性却非常差。虽然这两种系统已经被设计出来，但二者在启动和访问量子的可扩展性发面都还未得到证明。纯光学系统需要更高效的单光子探测器。离子陷阱有许多可取的特点，使得他们可以扩展体系结构。

对相干时间而言，控制量子计算机的复杂权衡包括交易速度。量子布线与经典控制在技术依赖以及技术的领域都在研究中，但许多缩放问题依然存在。，以支持量子计算和后端优化（基于这种特点）的编程语言的设计工作才刚刚开始[Omer 2002; Aho and Svore

2003;Nakajimaet al. 2005; Kawano et al. 2005]。最后，这些架构映射算法将确定特定架构的性能和实用性。

把大量数字因素考虑进去的话，建议使用量子计算机的最突出的Shor算法，这有可能使广泛应用于RSA公钥密码和Diffie-Hellman密钥交换协议的不安全。Shor算法的加密操作和执行与对于n比特的密钥O操作很不一致。在可预测的未来内，对于量子比特和量子门的制造和操作的花费要比经典比特和门昂贵的多。因此，经典系统远远比一个量子系统更容易地承受更长的密钥长度，在加密的军备竞赛方面，经典系统一直走在前列（虽然要由所有的用户来承担花费，不仅仅是那些破解密码的人）。然而，一个单一的大型量子计算机都可能导致密码系统的转移，这种已知的存在性使得这种系统被认为非常脆弱。因此，因此，Shor的算法仅是不可能有足够的经济购买超过少数大型量子计算机的发展。我们期待着量子计算的算法继续重要的发展。

量子计算机体系结构领域，可以说是处于起步阶段。现在开始对基本技术的重点研究探讨如何建立完整的量子计算系统。事实上，很多这些技术可能将要完成，从而具备从机械系统工程中提供系统架构师一套完整系统的能力。这是一个希望作为量子计算设备发展成的情况下的系统，将来可以解决现实世界的问题。

致谢

感谢伊藤健，T. D. Ladd, K. Nemoto and W. J. 蒙罗对本篇文章初稿的修订。感谢Y.中村,T.山本五十六，D.维因兰德以及K.M.伊藤提供的数字。

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