要释放量子计算机的真正潜力，它们需要变得更大规模。今天的量子计算机还只有几十个至百多个的量子比特数量。要开始用量子计算机做任何有用的事情之前，我们需要达到数百万量子比特的规模。这是一项艰巨的任务，但不是一项不可能完成的任务。

首先，什么是量子比特？

虽然传统的计算机比特将信息存储为1或0，但量子比特可以同时以多种状态存在，即所谓的1和0之间的叠加。这种特性赋予了量子计算机巨大的力量，使它们能够完成传统机器无法完成的复杂计算。

但量子比特是非常脆弱的。即使是最轻微的噪声也会导致量子信息发生崩溃，从而让量子计算机无用。如何控制好这些量子比特是可扩展性问题的症结所在，量子计算硬件公司面临着四个需要解决的关键挑战。

工程挑战1：选择量子比特

制造量子计算机的方法有很多，而首要关键之一是选择要使用的量子比特。有许多类型的量子比特，每一种都有自己的优缺点。超导和俘获离子系统是两个主要的竞争者。

超导机器本质上是使用一个微小的超导电路来形成量子比特。它们的基本组件与经典芯片技术相兼容。IBM的127量子比特量子计算机就是(目前世界上最大的量子计算机)使用的超导技术。

近年来，随着我们进一步扩大量子计算机的规模，捕获离子系统开始获得突破。这要归功于其不那么严格的制冷要求、改进的连接性和较长的相干时间。

俘获离子系统是使用单独带电的原子——离子——作为它们的量子比特。这些被捕获的离子天然相同，与环境隔离良好且易于控制。它们还提供了卓越的连接性(利用正确的架构)，可以移动量子比特以实现量子比特间的相互“交谈”。

这种高连通性可以允许使用更有效的量子纠错方法。实际上，这意味着更少的量子比特可以提供相同的计算能力。另一方面，超导量子比特是不能动的设计，只有与最邻近的量子比特进行连接。

超导系统具有更快的选通时间，这使它们能够比捕获离子系统更快地完成计算。但是离子阱系统具有更长的相干时间——这说的是量子计算机可以保持稳定性的持续时间。

工程挑战2：温度的可扩展

为了维持量子比特脆弱的量子态，量子计算机需要在低温下运行。具体需要什么确切的温度要​​取决于所使用的量子比特的类型。

超导机器需要冷却到接近绝对零度。而且随着这些机器的规模和复杂性的增长，制冷要求也将变得越来越具有挑战性。

离子阱系统则不需要如此严格的制冷要求，这在扩大量子比特数量时是很有利的因素。例如，有些捕获离子技术只需要冷却到70K(这大约是液氮的温度)。

工程挑战3：可能会失去激光

要完成一个量子计算，你需要运行一个量子电路。为了实现这一点，是用量子门操纵量子计算机中的量子比特。同样，有很多种方法可以实现这一目标。

离子阱量子计算机通常使用成对的激光束，这些激光束必须与单个离子的位置对齐才能执行量子门。这需要把精度校准到只有人类头发宽度的很微小一部分。想象一下，当达到数百万量子比特的规模时，试图以如此令人难以置信的精度对齐数百万对激光束，同时还要稳定每个激光的功率、位置和相位，这是非常难实现的，而且最轻微的偏差都会让量子计算机无法工作。

因此需要更简单的门控制技术。例如，有的公司量子门是使用一种全局微波，它能有效地创建出无线“电台”。想做一个量子比特门，可以施加电压以调谐到该频道。想做一个双量子比特门，可以应用一组不同的电压来调谐到该频道。这种门方案的好处是，不管有10个还是1000万个量子比特，微波源的数量都是固定的，这可以显着简化扩大规模的流程。

工程挑战4：完全集成的模块

由于单个晶圆最多只能容纳几千个量子比特，进行模块化设计对于将量子计算机扩展到数百万量子比特的范围是至关重要的。

实现此目的的一种提议方法是利用光子互连，用光纤连接不同的量子计算模块。经过几年的研究，这项技术的连接速度仍然很慢，并且实施起来显着增加了实际的开销。因此，这可能会在扩大规模时形成不可逾越的瓶颈。

因此，有的公司采用了完全不同的模块化方法，并使用相邻量子计算模块之间的电场进行连接。除了使用更简单的工程方法之外，它还可以使模块间的连接速度提高几个数量级。

此外，通过开发基于集成硅微芯片的全电子量子计算模块，我们可以利用传统计算机中使用的硅微芯片开发过程中所产生的丰富专业知识。这会带来的结果是一种完全集成的独立电子量子计算模块。

有用量子计算机快完成了吗？

事实上，量子计算机中那些艰苦且令人兴奋的工作才刚刚开始。随着这些机器开始扩大规模并走出世界各地的实验室，这些工程问题需要得到解决。虽然这是一项艰巨的任务，但它已经没有理论障碍，我们只需要解决那些工程挑战，这并非是不可能完成的。（编译:Qtech）