网络量子计算系统——网络化是扩展量子计算系统的一个方式[38] 。对于囚禁离子系统，可以利用光学系统将众多离子阱（节点）耦合起来，每个节点仅需有少数几个离子量子比特（图6） 。通过光子量子比特可以在不同的节点之间实现对离子量子比特的操作，进而整个离子阱网络可以作为一个可扩展的量子计算系统使用 。一般来说节点间操作错误率较高 。理论研究表明，只要节点内操作错误率显著低于1%，即使节点间操作错误率远远高于1%，仍然可以进行容错量子计算[39-41] 。牛津大学网络量子信息技术中心以此为方案在发展离子阱网络量子计算机[42] 。
文章插图
图6 网络架构量子计算
网络化架构对于超导量子比特以及分段离子阱等系统同样具有意义 。对于表面码量子计算，理想的状况是制备一个足够大的二维量子比特阵列，其中所有的近邻量子比特之间可以进行同样好的低错误率操作 。但这样一个系统需要对量子比特的品质有很好的控制，并且能够同时优化这个多体系统中的所有操作 。而在网络化架构中，通过牺牲一些操作的精确度以及部分量子纠错能力，可以显著降低扩展系统的技术难度 。
光学量子计算系统——在超导量子比特或囚禁离子等系统中，制备数百万的量子比特来实现容错量子计算是困难的，在近期内难以实现 。有一种量子比特相对来说容易制备，也就是光量子比特 。利用单光子源、线性光学器件以及单光子探测器可以实现通用量子计算[43] 。虽然光量子比特相对容易制备，但实现量子计算需要整合大量的光学器件，不一定比其他系统的难度更低[44] 。在光学量子计算和模拟方面，中国科学技术大学的实验室能够实现18个光量子比特的量子纠缠态[45] 。
拓扑量子计算系统——对量子比特数量的需求是量子纠错导致的 。如果不需要量子纠错，那么量子比特数量可以大大降低 。理论上认为利用拓扑系统中的任意子进行量子计算有可能达到非常高的精确度，因此不需要复杂的量子纠错[46] 。以马约拉纳（Majorana）费米子系统为例，在系统与环境间费米子交换被充分抑制的条件下，虽然还是需要量子纠错，但用到的量子比特数量会明显减少[47] 。目前还没有马约拉纳量子比特的实验演示 。有实验观测到在半导体—超导杂化系统中发生准粒子污染的时间在微秒量级[48]，与之可比较的是超导量子比特发生退相干的时间同样在微秒量级 。
中等规模量子计算和错误缓解
容错量子计算是量子计算技术发展的远期目标，可能还需要很长一段时间才能实现 。但另一方面，一台仅有几十个以上量子比特的量子计算机，其行为就很难用经典计算机模拟了 。这意味着，在这样一个中等规模的系统上，就有可能进行有价值的量子计算[49] 。近年来提出的量子变分算法[50]就适用于此类系统，可以用来求解量子系统的基态能量或模拟量子系统的演化[51，52] 。类似的算法还有量子近似最优化算法等[53] 。除此以外，量子模拟器是一个重要的发展方向 。
量子计算的指数加速（例如肖尔算法）意味着某些计算问题无法通过发展经典计算技术解决，而这些问题可以用量子计算解决 。因此在两种计算方式的对比中，量子计算比经典计算更具优势 。然而，当比较两个具体的计算系统的时候，一台量子计算机和一台经典计算机，我们应该关心一些更加实际的参数，例如处理器的速度或能耗等 。如果以应用为目标，区分两种计算方式不是最重要的 。假如可以在量子计算机上解决某个问题，是量子计算以外其他领域关心的，并在时耗或能耗等方面有一定的优势，那么应该可以认为量子计算机已经具备应用价值了 。
在中等规模量子计算方面，除了要发展相应的量子算法，还需要解决计算错误的问题 。由于量子比特数量的限制，容错量子计算方案显然是不适用的 。接下来将介绍中等规模系统中错误处理的方式——量子错误缓解 。
量子模拟器
与本文主要讨论的基于量子线路的通用量子计算系统不同，一般来说量子模拟器 （simulator） 是模拟 （analog） 量子计算系统 。量子模拟器是利用一种可控的量子系统 （例如超导量子比特系统、囚禁离子系统或冷原子系统等） 模拟另一种量子系统，进而研究被模拟系统的性质 。虽然同样用于量子模拟 （simulation） ，一般来说模拟 （analog） 量子计算通过系统连续演化完成，而劳埃德提出的通用量子计算算法可以利用量子门实现 。
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