Max Werninghaus，Walther-Meißner-Institute
这种现象被称为状态叠加，无法用经典物理学定律来解释。状态叠加是量子力学独有的特性，也是量子计算机拥有巨大计算潜力的基础。
当前研究重点关注量子比特的技术实现。例如，超导量子比特具有无损超导特性，能够使用电路存储半衰期非常长的电磁场，应用前景非常广阔。谐振电路专用于有效形成可控的双态系统。此类电路的谐振频率通常在 5 GHz 的微波范围内。谐振电路的基态是逻辑状态 0，第一激发态是逻辑状态 1。
如果不附加结构，无法系统性控制这两种状态。在 LC 谐振电路等谐波振荡器中，相邻两个能态的间距均相同（谐和性）。但是，电路中的谐振微波信号会从基态跃迁到第一激发态，或从任意激发态跃迁到下一个高阶态，整个过程无法控制。非线性电感能够抵消调和性。约瑟夫森结有助于创建两种不同能态并用作可控量子比特。这可以为从基态跃迁到第一激发态赋予独特的特征频率。这种特性模拟原子电子跃迁，因此超导量子比特也被称为人造原子。
量子态极其脆弱。超导量子比特的工作温度约为 10 毫开尔文（相当于 –273°C），非常接近绝对零度。这是保持热背景噪声的唯一方法
传统比特以固定态 (A) 工作，并始终执行相同操作。这相当于传统开关。量子比特的状态可以通过控制信号 (V1) 加以改变，表现为布洛赫球面的旋转变换。
可以使用外部微波信号控制量子比特的能态。布洛赫球可以解释这个过程（上图右侧）。1 和 0 逻辑状态分别位于布洛赫球面的北极和南极。球面上的每个其他点对应一个叠加态。状态矢量指示当前状态。和谐振微波信号的相互作用导致布洛赫球面上的状态矢量发生旋转。
为了使用量子比特执行可靠的计算操作，需要根据脉冲长度、微波信号幅度和控制脉冲包络高精度控制这种旋转。控制脉冲的相对相位会影响布洛赫球面上量子比特状态的旋转轴。例如，量子比特施加同相脉冲时，其状态始终围绕 X 轴旋转。如果脉冲相移 90°，状态矢量将围绕 Y 轴旋转。
任意波形发生器是可靠灵活的控制信号源。其结合微波源和混频器，能够在正确的量子比特频率下生成合适的脉冲。准确地实时调节控制脉冲相位和控制包络，可以随时从布洛赫球面上的任一点到达期望的目标点。
不同于具有高容错性的传统计算操作，量子计算机依赖于准确校准控制脉冲。即使是微小的旋转偏差（量子态过度旋转 1%），也会改变量子操作结果。相位控制偏差也会引起类似错误。因此，量子计算机的控制仪器必须具有出色的相位和幅度稳定性。使用任意波形发生器中所存储脉冲的同相和正交分量来调节控制脉冲相位。
两个铌制浅色矩形（左）提供合适的电容，并使用铝约瑟夫森结通过非线性电感相互连接（右）。这形成了一个 LC 电路，有效构成一个双态系统。
量子算法和量子计算机实验非常复杂。二者需要在多个通道上输出大量信号脉冲，并具有相应的相位稳定性和定时同步性。这通常会导致传统控制硬件初始化的等待时间较长，并最终限制计划实验的复杂性。近期，许多微波发生器制造商已联合量子计算科学家共同开发特殊仪器。
这些仪器的功能超越传统的任意波形发生器，可以满足一些特殊的量子研究要求。可以直接在仪器上使用现场可编程门阵列 (FPGA) 管理脉冲相位，大大减少所需的存储空间。即使是包含数千种操作的复杂量子算法，也可以简化为一组可管理的基本操作。无需为每个量子算法在任意波形发生器中存储连续信号。只需存储一组基本操作和输出序列信息即可。用于量子计算机研究的专用任意波形发生器已支持此类功能。
两种系统通过量子比特和谐振器之间的相互作用彼此影响（左）。谐振频率 ωr 偏移 χ，具体取决于量子比特状态（蓝色和红色曲线）。
量子计算机运行操作后，会选定量子比特的量子态，并将量子比特耦合到读取谐振器。谐振器和量子比特相互作用，其谐振频率会根据量子比特状态发生偏移（见图）。使用接近谐振频率的读取信号激励谐振器，可以根据传输或反射中信号的幅度和相位偏移来推断量子比特状态。
目前，量子技术支持有效操作相关的控制电子设备和量子硬件。直接将信号分析功能集成到仪器，可以实时观察量子算法结果。智能任意波形发生器简化了量子计算机操作，类似于计算机和机器编程中长期使用的汇编器方法。其中的一个主要挑战在于同步和协调运行大型量子计算机所需的数百个信号。
