量子计算机具体结构、怎样产生控制量子态
量子计算机的结构，或者说是如何制造的。这个可以参见这个问题下的回答量子计算机的工作原理如何简单解释？ - huang莱因哈特的回答。这里就不在重复叙述。这个回答主要对于下一个问题，如何控制量子态。也就是量子控制quantum control方面的内容。一般来说，跟经典的控制系统一样，量子控制大概有开环量子控制（open loop）和闭环量子控制（close loop）。开环量子控制主要有绝热量子控制（adiabatic evolution），还有2010年提出来的shortcut to adiabaticity，在核磁共振系统中提出来的composite pulse control（这个已经用到看很多方面了），还有就是根据经典的优化控制理论得到的量子最优控制理论。而闭环量子控制就是引入了反馈信号（这个信号可以是经典的，也可以是量子的）。当然，跟经典控制一样，闭环量子控制一定要比开环量子控制要好。但是其中很多问题还有待去解决，比如说如何读取了量子信息，又不破坏量子态。量子控制本身还有许多问题，我们还弄不明白，不像经典控制中的自成体系，连最基本的量子可控性还没有通用的理论。所以我们只是看到了一部分，还有很多研究可以做。而量子计算中最根本的问题就是如何有效的控制一个逻辑门，比如说，举个最简单的例子，一个量子态要从ground state 到激发到excited state，我们该如何的去控制激光去有效的到达这个目标。一般来说量子控制要达到3个目标，1. 快速。也就是说控制时间要短，这样量子系统也不容易退相干（decoherence）。现在实验上能保持量子态大概是毫秒级（当然不一样的系统，退相干时间当然不一样）2. 鲁棒性 robustness。这个对于任何控制都是很重要，我们不可能要求激光（相位，频率，脉冲面积 pulse area）无限的精确。3. 高的保真度high fidelity。可以这么理解，就是控制的错误要尽可能的小。大概要多小才能进行有效的量子计算。一般要求的是10^-4这个级别。也就是说要99.9999%的fidelity。这个很难做到，换句话说，这也就是为什么很多研究人员在做topological quantum computation（量子拓扑计算），还有很多量子coding，这些都是纠错码。也就是fidelity达不到 10^-4这个级别，我们所能找到的另一种途径。这些量子coding的方法或多或少需要一些“量子资源”去制备。比如说需要多个qubit当一个逻辑qubit，或者需要制备许多entanglement。（量子拓扑计算是从物理上不受到 local noise的影响，本质上来说与其他的量子coding一样，只是其他的量子coding是数学上的）下面，我主要简单介绍的是开环量子计算中的绝热控制，composite pulse control 和最优量子控制的内容。————————————————————1. Rabi Oscillation首先，也是最简单的pi pulse控制方法。 也就是让二能级系统产生rabi ocasilation，也就是在grond state与excited state中产生周期性的震荡。这是一种最简单的控制方法，用激光直接激发粒子，关键是控制激光的pulse area。当激光的pulse area达到 pi 的时候就关掉激光，这样我们就能得到一个量子的NOT gate了。同样的，如果pulse area是 pi/2, 也就是一个hadamard gate。这个的问题就是对于快速或者超快的激光（ms，ns，ps这种级别下）要准确做到pi时就关掉是相当困难的。 在实验室也许可以，但是在现实中的量子计算就不行了。而且能做到如此精准控制的激光器，价格也是相当相当贵的。所以，pi pulse control中只有快速达到了标准，然而鲁棒性很差。 【量子计算机具体结构、怎样产生控制量子态】 
图一：标准的Rabi Oscillation2. 绝热控制为了解决rabi oscillation的鲁棒性很差的问题，我们将引入在量子光学的绝热基。将原来普通的量子基（bare state）换成绝热基（adiabatic state)。理论上来说，绝热量子控制可以达到很高的保真度（只要等到够久的时间就可以啦）。但是因为引入了绝热近似，也就是意味着我们的激光必须要符合这个绝热近似。在绝热近似中，Hamiltonian的变化要很慢（理论上是无限慢的变化）。也就意味着我们需要很长的时间去达到这个绝热控制。简而言之，绝热控制的鲁棒性很好，但是速度很慢。数学上对于绝热变化其实就是矩阵的对角化，将对角的Hamiltonian的元素就变成了原来Hamiltonian的eigenvalue，如果，原来的Hamiltonian变化足够慢，非对角的元素就近似于0，也就是说在绝热基中，没有state的变化。
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