商业化的D-Wave2000Q量子系统

虽然我们很多人不愿意相信，D-Wave2000Q量子系统是已经商业化的量子计算机，但是它确实已经实用化，你可以到官网去查看。前不久，D-Wave公司发表D-Wave量子系统的量子编程白皮书。

书上有D-Wave2000Q量子系统的基本硬件构成参数，我们可以从中知道世界上商业化的量子计算机到底是如何简单地搭建起来的，重要的是量子处理器的设计和搭建。

D-Wave量子系统白皮书

本期就和大家聊聊D-Wave2000Q量子系统的硬件环境和量子处理器，重点是D-Wave系统的量子处理器。如果你认真了解量子处理器的基本构造，就可以基本知道量子处理器为什么如此强大、基本性能能够颠覆传统处理器。由于内容比较多而且复杂，我可能分几期来讲，这样大家就可以好好消化理解，内容基本都是编译D-Wave量子系统白皮书，有删改。

可以利用传统计算机原理来理解

D-Wave的处理器是如何搭建起来的，又是如何使用自旋系统中的物理现象来实现量子计算的。我们知道，传统的计算机有五大基本系统组成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。

D-Wave量子系统既然是实实在在商业化的计算机，自然也是由这几个重要部分组成。但是，量子计算机相对传统计算机来说是颠覆性的的设计，因为它存在量子叠加和量子纠缠等，自然在设计上有所不同。计算机重要的部分是CPU中央处理器，它的设计影响着整个计算机系统，那么我们就从量子计算器的CPU基本构造开始入手。

量子处理器

传统CMOS晶体管

如果我们想访问传统计算机或者编码的话，实际上是通过调节和监控微型晶体管开关上的电压。事实上，每个晶体管都是由总线寻址，总线能够将其设置为两种电压状态—低电压和高电压，低电压表示比特位中的0，高电压表示比特位中的1。

因此，在传统计算机中我们就可以使用晶体管的两种电压状态来模拟比特位，从而使我们轻松进行编码和访问计算机。

量子比特位

电子自旋运动产生量子叠加

量子计算机的设计参照了传统CMOS晶体管的设计，既有很多相似的地方，也有很多迥乎不同的地方。在此之前，首先要了解D-Wave2000Q量子系统的基本工作原理，该量子系统是通过利用电子自旋运动来产生量子叠加现象。

与传统的微型晶体管不同的是，这是可以表示多种情况，不止一种情况。因为电子运动方向是无法预料的，所以在同一个时间点，既有向上运动的电子，由有向下运动的电子；或者只有向上或者向下的电子。

因此，一个量子比特位就可以诞生了，既可以记作+1，也可-1，也可以+1和-1同时存在。D-Wave2000Q量子系统就是利用这种电子自旋运动的原理和现象来设计量子处理器的。

超导量子干涉仪—SQUID（量子晶体管）

图中显示的就是量子计算机的基本构成单位—SQUID（超导量子比特位，为了容易理解你可以叫它量子晶体管），实际上SQUID的全称是Superconducting QUantum Interference Device，中文翻译是超导量子干涉仪。

上面有提到过，传统的晶体管可以允许你有两种基本的编码—0和1（低电压0、高电压1）。类似传统的微型晶体管，在超导量子比特位结构中也存在两种状态，不过不是低电压和高电压，这里指的是电子运动方向，向上和向下，向上记作+1，向下记作-1。（相当于0和1）

如图，这个是超导量子比特位的示意图，D-Wave量子计算机的基本构成单元。箭头表示磁自旋状态，将信息位编码为两个基本值+1和-1。与传统的比特位不同，量子比特位是具有量子叠加的特性，+1和-1两种状态是可以同时出现的。

那么是怎么测量出量子的运动方向的呢？其实是利用通过观察大面积电子的概率统计，严格来说是观察量子干涉。

Interference（干涉）指的是电子在量子波中表现为波动性，从而产生量子效应干涉图。这样的结构之所以支持量子效应（电子波），是因为这样的结构可以形成一个量子比特位。

实际上，SQUID这样的构造是用特殊材料制造出来的，图中的大环是由金属铌制成的。铌如果在足够低的温度下会变成超导体，并且表现出量子效应。

由于这种构造可以产生量子效应，使我们可以通过这个构造来产生量子比特位，并且可以产生量子叠加。这样一来，我们就可以通过调整量子计算机上的控制旋钮来控制这个构造SQUID，从而拥有量子比特位和量子叠加。

可编程的量子元件结构

实际上，只有一个量子比特位是无法组成性能强大的量子计算机的。因此，为了建构一个拥有多个量子比特位的处理器，所有量子比特位必须能够互联起来，这样它们之间就能进行信息互动。这些量子比特位是通过耦合器元件连接起来的，耦合器也是由超导金属环构成。

量子比特和耦合器连接在一起，就是量子计算机基本架构—可编程、量子结构的元件。如图中，以下是8个量子比特环的示意图；其实下图中已经出现如图一讲述量子叠加现象，图中箭头所指或者所背指的金色长方形矩形就是量子比特位。蓝色的点是16个耦合器的位置，耦合器作用是使量子比特位之间进行信息互联。这些要素组成一起，就构成了量子处理器，可以完成基本的量子计算。

图2

量子计算机的电路走线—寻址、编程和访问量子比特位

拥有上面所说的基本架构还不够，量子计算机的处理器如果想正常工作的话，还得需要几个附加组件。

环绕在量子位和耦合器的电路大部分是开关电路系统的基本构架—实质上是个约瑟夫森结。这部分电路系统的作用有两点：

第一，对每个量子比特位进行寻址（实际是将电磁脉冲信号投放在量子处理器适合的位置上）

第二，寻址之后将信息存储到本地磁存储器中

量子处理器的设计有点颠覆性

实际上，大部分约瑟夫森结都用来构成D-Wave量子处理单元（QPU）中电路系统。此外，每个量子比特位都配备有信息输出装置。在进行量子计算过程中，这些信息输出装置处于非活动状态（就是非工作状态），因此不会干扰到的量子比特位。

接下来，量子计算完成后，这时候的量子比特位已经变为经典比特状态（不是0就是1状态）。信息输出装置就会读取每个量子比特位在经典比特状态的数值，然后就将这个数值结果以0和1为基本单位的二进制字符串形式反馈给量子计算机用户。

以下是一段D-Wave官方的3D小动画，动画展示了如何将众多个处理单元（QPU）相互组合，然后构成D-Wave One™128-量子比特位处理器。现在的D-Wave 2000 Q也是使用同样的原理。

视频加载中...

实际电路走线

图3形象地展示了D-Wave量子处理器的实际电路布线。这是一张工程师利用CAD软件绘制D-Wave量子处理器电路图，不过展示的是部分线路。这张原完整的电路图是可以交给代工工厂用来生产量子处理器的。

从电路图可以看出，量子处理器单元QPU的结构相当复杂。图中粉红色的长条带是量子比特位，伸展程度甚至超过了图2。位于量子位之间的绿色和黄色区域是上述可编程电路的基本组成部分，而黄点是嵌入在该电路中的约瑟夫森结。

值得留意的是，这个处理器架构和经典计算机处理器架构迥然不同。QPU并没有大块CPU缓存，更准确地说每个量子比特位是有属于自己的小块内存。这样一来，CPU与外界信息沟通的话就没有所谓因为缓存而需要自检，延迟大大降低。

实际上，QPU的构造更像是生物大脑，而不是传统硅处理器的常见冯·诺依曼架构。业界很多任务可以把量子比特看作是神经元，而耦合器则像是控制这些神经元之间信息传递的突触。

小结

以上就是D-Wave2000Q量子系统CPU内部的基本构造。因为这是个比较颠覆的设计，所以要理解它们是有点难度的。

D-Wave2000Q量子系统的处理器外观

不过我相信认真阅读，专业术语可以上网查阅一下，这样一来就很容易理解量子处理器的基本构造和原理。这还没有完全介绍完，接下来我会介绍量子处理器的生产、封装、运行环境冷却和磁屏蔽等。