量子比特模式：Transmon QPU架构

Sun, 14 Jun 2026 00:00:00 +0000

在深入探索量子纠错的奇妙世界之前，我认为有必要先简要说明一下量子处理器 (QPU) 的架构，特别是如何在硬件硅级实现 1 量子比特和 2 量子比特门。

撰写此类备忘录的挑战在于存在许多 QPU 架构或模式，因此我将从一种常见的模式开始：超导 Transmon 量子比特。

作为参考，右上角的图片是Fairchild公司1961年推出的4晶体管集成电路。乍一看，如今的超导量子比特似乎与这款集成电路一样复杂。实际上，量子产业的发展似乎又回到了1960年硅产业的阶段，只不过多了低温超导技术这一因素。令人兴奋的是，我们可以基于70年代的发展趋势来预测未来控制逻辑的演进方向。

Transmon QPU 蓝图链接到标题

下图展示了一个假想的双量子比特可调超导量子比特（transmon）的组成部分。之所以采用双量子比特架构，是因为它既可以控制单个量子比特（单量子比特门），也可以纠缠多个量子比特（双量子比特门）。

顶部的“5 条线”用于控制（操纵）量子比特状态以及两个量子比特之间的相互作用。底部的线用于执行量子比特读出（即量子比特波函数的坍缩，这是一个破坏性过程）。

请注意，上图假设 transmon 架构是可调的，但情况并非总是如此；有些架构不使用可调量子比特，例如 OQC Coaxmon 架构。

设计超导量子比特的一个重要因素是它需要在超导温度下工作，而约瑟夫森结（简称JJ）的使用使得在不产生热耗散的情况下对其进行控制成为可能。我将略过关于JJ及其如何使超导量子干涉器件成为可能的详细论述。感兴趣的读者可以参考超导：SQUIDS视频。

每条控制线承载不同类型的信号，因此使用的部件（如阻尼器（衰减器）和滤波器）会因您处理的是驱动线、耦合器控制线还是量子比特控制线而有所不同。

对于超导量子比特，XY驱动线通过微波脉冲（4-6 GHz）的弱电容耦合来操纵量子比特。它充当片上天线，施加振荡电场来驱动布洛赫球的旋转。

XY驱动线通过改变微波脉冲的相位Φ来区分X门和Y门，而不是改变其频率或物理路径。由于这两个门需要相同的频率（与量子比特的谐振频率匹配），硬件通过改变微波电场相对于量子比特的取向来控制旋转轴。

对准偏移（或相位）由 IQ 混频器完成，它通常与其他室温控制电子设备一起放置。IQ 混频器使用同相 (I) 和正交 Q 信号的 IQ 调制，以及对应于量子比特共振频率的载波频率 fc。（右图基于 Pulse Lib）。

要创建 X 门，控制模块（例如 Qblox QCM-RF）只需将 I 通道完全开启，并将 Q 通道保持关闭即可。要创建 Y 门，则需要将 I 通道关闭，并将 Q 通道完全开启。当然，实际操作要复杂得多，并且需要确保进行 IQ 混频器校准，以防止 X 门和 Y 门之间发生泄漏。