量子片芯片的原理
量子片芯片的原理
量子芯片是指将量子线路集成在基片上，以承担量子信息处理的功能。借鉴传统计算机的发展历程，量子计算机的研究在克服瓶颈技术之后，若要实现商品化和产业升级，需要走集成化的道路。超导系统、半导体量子点系统、微纳光子学系统、甚至原子和离子系统，都期望通过芯片化实现这一目标。从发展趋势来看，超导量子芯片系统在技术上已经走在了其他物理系统的前面。
传统的半导体量子点系统也是人们努力探索的目标，因为传统的半导体工业发展已经非常成熟。若半导体量子芯片在退相干时间和操控精度上突破容错量子计算的阈值，有望集成传统半导体工业的现有成果，从而大大节省开发成本。
超导量子芯片系统的优势在于其量子比特之间的耦合强度较高，能够实现更稳定的量子计算。相比之下，传统的半导体量子点系统在量子比特的制备和操控方面面临挑战，但其在集成化和规模化生产方面具有显著优势。微纳光子学系统则通过光子技术实现量子比特的操控，具有较高的可扩展性和低损耗特性。原子和离子系统则利用原子和离子的量子态来实现量子计算，具有极高的稳定性，但其操作环境要求极高，难以实现大规模集成。
因此，虽然各种物理系统在实现量子芯片方面各有优势，但超导量子芯片和传统的半导体量子点系统在集成化道路上展现出更广阔的应用前景。未来，随着技术的不断进步，这些系统有望在量子计算领域发挥更大的作用。
在集成化道路上，超导量子芯片和传统的半导体量子点系统展现出更广阔的应用前景。随着技术的不断进步，这些系统有望在量子计算领域发挥更大的作用。同时，微纳光子学系统和原子、离子系统的独特优势也为量子芯片的发展提供了新的思路。未来，量子芯片将在量子计算、量子通信等领域发挥重要作用。
什么是基于测量的量子计算 (MBQC)？（一）
MBQC（Measurement-based quantum computing）是一种不同于传统量子电路模型的通用量子计算模型。其核心概念由R. Raussendorf 和 H. Briegel 在2001年提出。MBQC模型的执行顺序是：制备出一个大的纠缠态（cluster state）——编程测量这个纠缠态的方式，引导其逐步坍塌到正确的结果上——对最终剩下的量子比特进行测量。相比于传统量子电路模型，MBQC更适用于某些无法满足传统模型条件的物理体系，如基于光子的量子计算。
实验物理学家认为，光子间的相互作用难以控制，使用传统量子电路模型实现光子比特的通用量子计算几乎是不可能的。然而，MBQC模型为基于光子的量子计算提供了一条可行路径。MBQC模型对量子计算硬件的要求包括：制备光子的纠缠态、对光子进行测量、对光子执行单比特门，这些操作在实验上都是可行的。
MBQC模型的基本步骤是制备纠缠态、编程测量方式以及测量。在MBQC模型中，纠缠态的制备是关键，接下来的测量步骤则决定着量子信息的流动路径。通过测量操作，“阻挡”和“驱赶”量子信息，实现通用量子计算。在多比特系统中，通过特定的测量操作和路径设计，可以实现任意单比特逻辑门和双比特门操作，从而构建通用量子计算的基本框架。
要实现基于MBQC的通用量子计算，首先需要解决的是生成大规模可用的cluster state问题，因为生成后的cluster state会面临退相干问题。一种解决方案是通过多个少比特的cluster state按照需求即用即造搭建出大的cluster state。此外，量子纠错在MBQC框架下的实现也是一个关键问题，需要制备特定的三维cluster state并使用二维平面进行纠错码的运行，如surface code等。
MBQC模型在实验上适用于光子体系和冷原子体系，这两种体系易于获得大量的量子比特。在实验细节方面，可能在后续的文章中有所提及，但不会作为主要章节。总之，MBQC为基于光子的量子计算提供了一条可行路径，并通过纠缠态的制备和测量操作实现通用量子计算的基本框架，解决量子纠错问题也是实现容错量子计算的关键。
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