量子位元模式：Transmon QPU架構

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

在深入探索量子糾錯的奇妙世界之前，我認為有必要先簡要說明一下量子處理器 (QPU) 的架構，特別是如何在硬體矽級實現 1 量子位元和 2 量子位元閘。

撰寫此類備忘錄的挑戰在於存在許多 QPU 架構或模式，因此我將從常見的模式開始：超導 Transmon 量子位元。

作為參考，右上角的圖片是Fairchild公司1961年推出的4電晶體積體電路。乍一看，如今的超導量子位元似乎與這款積體電路一樣複雜。事實上，量子產業的發展似乎又回到了1960年矽產業的階段，只不過多了低溫超導技術這一因素。令人興奮的是，我們可以基於70年代的發展趨勢來預測未來控制邏輯的演進方向。

Transmon QPU 藍圖 Link to heading

下圖展示了一個假想的雙量子位元可調超導量子位元（transmon）的組成部分。之所以採用雙量子位元架構，是因為它既可以控制單一量子位元（單量子位元閘），也可以糾纏多個量子位元（雙量子位元閘）。

頂部的“5 條線”用於控制（操縱）量子位元狀態以及兩個量子位元之間的相互作用。底部的線用於執行量子位元讀出（即量子位元波函數的坍縮，這是一個破壞性過程）。

請注意，上圖假設 transmon 架構是可調的，但情況並非總是如此；有些架構不使用可調量子位元，例如 OQC Coaxmon 架構。

設計超導量子位元的一個重要因素是它需要在超導溫度下工作，而約瑟夫森結（簡稱JJ）的使用使得在不產生熱耗散的情況下對其進行控製成為可能。我將略過關於JJ及其如何使超導量子乾涉裝置成為可能的詳細論述。有興趣的讀者可以參考超導：SQUIDS影片。

每條控制線承載不同類型的訊號，因此使用的零件（如阻尼器（衰減器）和濾波器）會因您處理的是驅動線、耦合器控制線還是量子位元控制線而有所不同。

對於超導量子位元，XY驅動線透過微波脈衝（4-6 GHz）的弱電容耦合來操縱量子位元。它充當片上天線，施加振盪電場來驅動布洛赫球的旋轉。

XY驅動線透過改變微波脈衝的相位Φ來區分X門和Y門，而不是改變其頻率或物理路徑。由於這兩個閘需要相同的頻率（與量子位元的諧振頻率相符），硬體透過改變微波電場相對於量子位元的取向來控制旋轉軸。

對準偏移（或相位）由 IQ 混頻器完成，它通常與其他室溫控制電子設備一起放置。 IQ 混頻器使用同相 (I) 和正交 Q 訊號的 IQ 調變，以及對應於量子位元共振頻率的載波頻率 fc。（右圖根據 Pulse Lib）。