实现量子计算的物理平台要有编码量子比特的物理载体，使不同量子比特之间可以可控地耦合，并对噪声环境影响有一定的抵抗力。目前研发的主要方案有超导、离子阱、中性原子、硅量子、光量子和金刚石色心等。


超导量子计算


超导量子计算利用超导系统的量子态实现量子计算。它的优点是与现有的半导体工业技术兼容，但是，超导量子系统工作对物理环境要求较高，需要超低温。许多科研机构和国际大公司采用这一系统，如谷歌、IBM 等。
谷歌：在持续重金投入量子计算多年以后，2018 年 3 月，谷歌宣布推出 72 量子比特超导量子计算机，他们发布的主要指标是单比特操作的误差是 0.1%，双比特门操作的误差是 0.6%。
2019年10月，谷歌在《自然》上发表一篇文章，称其开发出一款 54 量子比特数的超导量子芯片Sycamore。基于该芯片，谷歌对一个53比特、20深度的电路采样一百万次只需200秒。而目前最强的经典超级计算机 Summit 要得到类似的结果，则需要一万年。基于这一突破，谷歌宣称其率先实现了「量子霸权」。
在今年的量子夏季研讨会上，谷歌再次强调了其计划的连续性，并概述了他们计划在 2029 年前建立一个拥有 100 万个物理超导量子比特的「小型」FTQC 的里程碑。虽然谷歌首选的可调谐量子比特和快速逻辑门提供了极大的灵活性和性能，但是 Sycamore53Q 设备的校准显然是一个挑战。
有了额外的控制，就需要在芯片上和芯片外路有额外的控制线。缩放比例会自动增加布线的挑战和元件数量与总体故障率之间的关系。此外，谷歌在2020年报告的大部分工作都使用了Sycamore的23Q配置，因为自动校准最初无法在较大的设置中提供可接受的2Q门性能。谷歌将材料研究作为提高量子比特相干时间的一种方法。尽管前景很好，但这需要科学的进步，而不仅仅是工程上的进步。
值得一提的是，2021年11月18日，中国团队在2021戈登贝尔奖上夺冠，获奖应用超大规模量子随机电路实时模拟（SWQSIM），可在304秒内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，打破谷歌所宣称的「量子霸权」。参见：
谷歌路线图：从现在到 2029 年：102Q（逻辑量子比特原型）、103Q（一个逻辑量子比特）、104Q（可平铺逻辑模块）、105Q（工程扩大）、106Q（纠错量子计算机）。通过表面代码协议进行错误纠正。


图注：谷歌路线图
IBM：IBM 很早就开始为其路线图打下基础。2016 年，IBM 推出 5 个量子比特的超导量子计算平台，打破了从 1998 年以来超导量子比特体系研究一直徘徊在 2 个量子比特的局面，开启了国际上量子计算机研发的第二次高潮。2017年11月，IBM 宣布研制成功 50 量子比特的量子计算机原理样机，并在 2018 年初的 CES 大会现场展示。
IBM 是推动教育更广泛的社区先行者，重要的不仅是量子比特数量，还有量子比特连接、门集和可实现的电路深度。基于这些属性，IBM 引入衡量量子计算机性能的指标——量子体积（QV）。2017 年以来，IBM 已交付了 28 款性能稳步提高的系列设备。每年 QV 翻一番的既定目标，他们在过去一年中实现两次。
2021 年 11 月 15 日，IBM 推出全球首个超过100量子比特的超导量子芯片——Eagle，该量子芯片拥有 127 个量子比特，采用了全新的芯片架构，基于 IBM 之前公布的六边形量子芯片，堆叠了多层芯片，但减少了之间的链接，链接越少，干扰就越少，这是量子计算机研发中的重要难点之一。
目前的 Eagle 量子芯片实现了 127 量子比特，但还只是个开始，IBM计划在未来两年中分别推出 433 量子比特的 Osprey 芯片及 112 量子比特的 Condor 芯片，届时他们量子芯片将实现量子霸权。
IBM路线图：2021 年 127Q（Eagle）、2022年433Q（Osprey）、2023年 1121Q（Condor），从而形成 100 万量子比特的大规模系统。通过颜色代码协议进行纠错。


图注：IBM路线图
至于国内进展，中国科学技术大学潘建伟团队研制出 66 比特的可编程超导量子计算原型机祖冲之2.0，通过操控其上的 56 个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度比 Sycamore 高 2—3 个数量级。前段时间，潘建伟研究团队又有了新的进展，通过操控其上的 60 个量子比特，祖冲之2.1所完成任务的难度比祖冲之2.0 又高出了 3 个数量级。


离子阱


离子阱体系的优势在于其有较好的封闭性，退相干时间较长，制备和读出效率较高，离子阱体系在一定程度上可以满足量子计算机的多个条件，而可扩展性问题是基于离子阱系统的量子计算的主要障碍。国际上开发该系统的研究组有霍尼韦尔、IonQ等等。
霍尼韦尔：2020 年，霍尼韦尔成为第一个用其 6Q H0 和 10Q H1 处理器达到 QV 64 和 QV 128 的厂商。有些人可能会想，10Q 处理器怎么能声称自己和 IBM 的 27Q 处理器一样强大呢？这恰恰凸显了离子阱研究者长期以来所阐述的两个优势：与超导量子比特方法相比，它有优越的连接性和更高的门保真度。这两个优势可以保证更高的 QV。霍尼韦尔处理器也是首款实现中间电路测量的处理器，进一步提高了灵活性。
霍尼韦尔路线图（不同的量子比特布局）：2020-2030年，H1（线性离子阱），H2（跑道布局），H3（网格布局），H4（集成光学元件），H5（大规模平铺）。


图注：霍尼韦尔路线图
IonQ：2018 年 12 月，IonQ 推出了一个离子阱体系量子计算机原型系统，其主要技术指标如下：量子比特数目方面，最多可以加载160个量子比特，能够进行单个比特操作的是79个量子比特，能够进行双比特操作的是11个量子比特。可编程量子计算方面，实现了５个比特的可编程计算，在５比特上实现了４种量子算法。
2020年，IonQ 宣布了一款 32Q 设备，他们希望获得比以前高得多的 QV，尽管他们现在更喜欢谈论一种新的衡量指标——算法量子比特（AQ）。算法量子位比特（AQ）——IonQ 定义为可用于计算的有效量子比特的数量（注意：可用逻辑门深度仍有限）。在没有纠错编码的情况下，AQ = log 2（QV）。


图注：IonQ路线图
离子阱系统的一个缺点是，与超导量子比特相比，它们提供的门速度要慢得多（通常慢100到1000倍）。他们希望通过更长的量子比特寿命和更高的保真度来弥补这一点，从而减少纠错成本。
IonQ 相信，高保真的物理量子比特足以使得离子阱比其他方法更快实现量子优势。对于离子阱系统而言，真正的长期挑战是再次扩大规模，尤其是在它们依赖精细调谐的激光系统来驱动其高保真量子比特门的情况下。就像超导量子比特方法不同一样，离子阱也不尽相同。
例如，奥地利公司 AQT ，他们没有使用霍尼韦尔和 IonQ 使用的在超精细跃迁上定义的量子比特，而是使用在光学跃迁上定义的量子比特。虽然保真度稍低，但这种量子比特的工作波长是集成光子组件易于制造的波长，因此有望实现更容易的扩展。2020 年，这种集成设备在实验室中以这些波长进行了演示。AQT 与欧洲量子技术（QT）旗舰计划、AQTION 合作，首次构建完整的「机架系统」。
其他离子阱初创公司的目光也不再局限于激光驱动的门。Universal Quantum、NextGenQ 和 QT 旗舰计划的 MicroQC 正在寻求将远场微波门带出实验室，并应用到商业设备。与激光驱动门的许多关键性能记录密切相关的 Chris Balance 和 Thomas Harty，已选择以自己的初创公司作为基础，建立近场微波门，如 Oxford Ionics。
离子阱架构通常使用模块之间的光子互连进行扩展。最近已经出现了更快的互连，但似乎仍然是一个性能瓶颈。另一方面，Universal Quantum 已经证明他们的离子穿梭方法原则上可以提供类似于全连接的 QV。


中性原子


中性原子又叫作冷原子，因为它使用激光冷却和高度真空来达到毫开（mK）的温度，远低于低温冷却的范围。该技术与离子阱有许多相同的特性，它们的优点是中性原子可以被包裹得更紧密。这意味着可以更快地扩展到 1000Q 模块。
ColdQuanta 是采用这种方法的知名公司，已经推出了 QuantumCore 作为一个基本单元，以瞄准许多量子领域的机会。它也是云上的量子物质系统 Albert 的基础。ColdQuanta 已经被 DARPA（美国国防高级研究计划局）选中，作为 ONISQ 计划的一部分，参与 1000Q 处理器的开发工作，该奖项的价值高达 740 万美元。
ColdQuanta 路线图：到 2021 年达到 100Q，到 2022 年达到 300Q，到 2024 年达到 1000Q。其他选择中性原子的公司还有 QuEra、Paswal 和 Atom Computing 等。




硅量子点


2020 年，QuTech 和新南威尔士大学（UNSW）在 1K 的温度下用金属氧化物半导体（MOS）量子点演示了量子比特操作。这有望成为一个操作和扩大设备规模明显更容易的机制，尽管在这些更高的温度下，相干时间和保真度是否具有竞争力仍有待观察。
澳大利亚初创公司 Silicon Quantum Computing 一直是硅量子比特的早期推动者。2020 年，它宣布了其路线图的重点，放弃了 MOS 量子点，并加码了磷原子量子比特。这些设备使用超尖端制造技术，提供了超越传统 CMOS 技术的原子精度方法。
在描述 SQC 的制造技术时，其创始人Michelle Simmons指出不仅能够以原子精度设计量子比特，而且同样的技术可以在同一器件衬底内创建稳定、简单和原始的控制线路。2021年，他们报道了硅量子比特实现迄今为止最低的噪声。
2020 年，加拿大初创公司 Photonic Inc 发表了早期的研究，承诺给硅量子比特「军械库」增加一个重要的新工具。这有望改善基于硅中 T-centre 缺陷的光子的界面。


光量子比特


中国的九章实验能够证明光量子比特可以实现比迄今为止在任何其他平台上实现的都要复杂的计算。九章通过实现一种被称为高斯玻色取样的算法来实现这点，成功构建了 76 个光子 100 个模式的高斯玻色采样量子计算原型机。在 200 秒的时间里产生的输出样本，声称世界上最强大的超级计算机 Fugaku 需要 6 亿年才能实现。它的复杂程度大大超过了 Sycamore 最初的量子优势（量子霸权）演示。
九章并非凭空而来。至少从 2006 年起，中国就一直在增加对量子技术的投资。2019 年，潘建伟团队首次实现 20 个光子 60 个模式干涉线路的玻色取样量子计算。2021 年 10 月，他们又宣布了一则令人激动的消息：量子计算原型机“九章二号”研制成功。这意味着我国已成为世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
与目前全球最快的超级计算机相比，“九章二号”求解高斯玻色取样数学问题要快 10 的 24 次方倍（亿亿亿倍）。陆朝阳教授解释称，团队把之前九章光量子计算机的光子增加至 113 个，从而实现质的飞跃，“我们主要有三大突破，首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从 63% 提升到 92%。其次，将多光子量子干涉线路从 100 维度增加到 144 维度，操纵的光子数从 76 个增加到 113 个。第三，新增了可编程功能”。


图注：“九章二号”整体装置图
潘建伟院士表示，团队的下一步任务是实现量子纠错，并在这个基础上，借助一些专用的量子计算机或量子模拟机解决一些具有重大应用价值的科学问题。


金刚石 NV 色心


金刚石 NV 色心可以在环境温度下操作，虽然灵敏度不高，但却可以实现小型化，并且其毒性质使其特别适合现场生物测量。Qnami 受益于量子技术旗舰项目 ASTERIQS 的参与。该项目的合作伙伴还包括泰雷兹集团、博世、NVision 和比利时微电子研究中心，他们各自在金刚石技术上寻求不同的应用。
HP-MRI 是一种先进的核磁共振诊断技术，可以追踪注入人体的糖分并显示糖分变成什么。例如，在报告胸痛的患者中区分有生命或无生命的心脏组织时很有用。但是，由于生产该方法消耗的超极化分子缓慢且昂贵，因此该技术未被广泛采用。使用金刚石 NV 色心有望实现更快、成本效益更高且可部署的解决方案。
量子技术旗舰项目 MetaboliQs 正在寻求开发基于 NV 金刚石的 HP-MRI 技术。他们最近从概念验证转变为性能提高了 1000 倍的原型。政府计划将在加速该技术适应各种应用方面发挥重要作用。