1 量子晶片

1.1 超導量子晶片

超導量子計算是基於超導電路的量子計算方案，其核心器件是超導約瑟夫森結。

超導量子電路在設計、製備和測量等方面，與現有的積體電路技術具有較高的相容性，對量子位元的能級與耦合可以實現非常靈活的設計與控制，極具規模化的潛力。

由於近年來的迅速發展，超導量子計算已成為目前最有希望實現通用量子計算的候選方案之一。超導量子計算實驗點致力於構建一個多位元超導量子計算架構平臺，解決超導量子計算規模化量產中遇到的難題。

超導電路類似於傳統的電子諧振電路，這種諧振電路產生了諧振子的能級。

超導約瑟夫森效應使得超導電路在不發生損耗和退相干的情況下產生非線性，非線性導致諧振子的能級間隔不再等同，其中最低的兩個能級可以用來實現量子位元的操控。

與經典諧振電路不同的是，超導電路還含有由約瑟夫森結帶來的電感 $L_j$ 這一項，改變這一項和電感 $L$、電容 $C$ 的比值，物理學家提出了多種基於超導線路的位元形式。

1.1.1 超導量子計算的進展

2000年前後	開始研究
– 2009年	來在美國耶魯大學 Schoelkopf 和 Devoret 研究組的推動下，將超導位元和微波腔進行耦合	實現了量子位元高保真度的讀出和糾纏，加速了超導量子位元的研究；實現了兩位元的高保真度量子演算法；使得超導量子計算得到了世界的廣泛關注
2014年 –	美國企業界開始關注超導量子位元的研究，並加入了研究的大潮中
2014年 9 月	美國 Google 公司與美國加州大學聖芭芭拉分校合作研究超導量子位元，使用 X-mon 形式的超導量子位元	2016 年基於這個晶片實現了對氫分子能量的模擬，表明了其對於量子計算商用化的決心
2017 年	Google 釋出了實現量子計算機對經典計算機的超越——“量子霸權”的發展藍圖
2018 年	Google設計了 72 位元的量子晶片，並著手進行製備和測量
2016年 5 月	IBM在雲平臺上釋出了 Transmon 形式的5 位元量子晶片
2017年	IBM 製備了 20 位元的晶片，並展示了用於 50 位元晶片的測量裝置，同時也公佈了對 BeH2 分子能量的模擬	表明了在量子計算的研究上緊隨 Google 的步伐
	IBM 釋出了 QISKit 的量子軟體包	促進了人們通過經典程式語言實現對量子計算機的操控。
2018 年	美國 Intel 公司和荷蘭代爾夫特理工大學合作設計了17 位元和 49 位元超導量子晶片	具體的效能引數還有待測試
	美國初創公司 Rigetti 釋出了 19 位元超導量子晶片，並演示了無人監督的機器學習演算法	使人們見到了利用量子計算機加速機器學習的曙光
	美國微軟公司開發了 Quantum Development Kit 量子計算軟體包	通過傳統的軟體產品 Visual Studio 就可以進行量子程式的編寫
2017 年	中國科學技術大學潘建偉研究組實現了多達十個超導位元的糾纏
2018 年	中科院和阿里雲聯合釋出了 11 位量子位元晶片	表明了我國在超導量子計算方面也不甘落後，並迎頭趕上
	合肥本源量子公司也正在開發 6 位元高保真度量子晶片
	南京大學和浙江大學也對超導量子位元進行了卓有成效的研究
……	……	……

1.2 半導體量子晶片

由於經典計算機主要基於半導體技術，基於半導體開發量子計算也是物理學家研究的重點領域。相比超導量子計算微米級別的位元大小，量子點量子位元所佔的空間是奈米級別。

類似於大規模積體電路一樣，更有希望實現大規模的量子晶片。現在的主要方法是在矽或者砷化鎵等半導體材料上製備門控量子點來編碼量子位元。編碼量子位元的方案多種多樣，在半導體系統中主要是通過對電子的電荷或者自旋量子態的控制實現。

1.2.1 基於電荷位置的量子位元

這是中國科學技術大學郭國平研究組利用 GaAs / AlGaAs 異質結制備的三電荷量子位元的樣品。

圖中 $Q_1$、$Q_2$ 和 $Q_3$ 作為探測器可以探測由 $U$、$L$ 電極形成的量子點中電荷的狀態；
六個圓圈代表六個量子點，每種顏色代表一個電荷量子位元。以兩個黃圈為例，當電子處於右邊量子點中時，它處於量子位元的基態，代表 $0$；當電子處於左邊量子點時，它處於量子位元的激發態，代表 $1$。
這三個位元的相互作用可以通過量子點之間的電極調節，因而可以用來形成三位元控制操作。

缺點：這種三位元操作的保真度較低，提高保真度需要進一步抑制電荷噪聲。

1.2.2 基於自旋的量子位元

這是美國普林斯頓大學 Petta 研究組基於 Si/SiGe 異質結制備的兩自旋量子位元晶片，

圖中帶箭頭的圓圈代表不同自旋方向的電子；
自旋在磁場下劈裂產生的兩個能級可以用於編碼量子位元；
這兩個量子位元之間的耦合可以通過中間的電極 $M$ 進行控制，實現兩位元操作。

優點：由於對電荷噪聲有較高的免疫效果，自旋量子位元的退相干時間非常長。

1.2.3 半導體量子計算也正在從科研界轉向工業界

與超導量子計算類似，半導體量子計算也正在從科研界轉向工業界。

2016 年，美國晶片巨頭 Intel 公司開始投資代爾夫特理工大學的矽基量子計算研究，目標是在五年內製備出第一個二維表面碼結構下的邏輯量子位元；
2017 年，澳大利亞也組建了矽量子計算公司，目標是五年內製備出第一臺 10 位元矽基量子計算機；
在國內，中國科學技術大學的郭國平研究組 從 2016 年開啟了矽基量子位元計劃，計劃五年內製備出矽基高保真度的兩位元量子邏輯閘，實現對國際水平的追趕，併為進一步的超越做準備。

1.3 其他型別體系的量子計算體系

1.3.1 離子阱量子計算

離子阱量子計算在影響範圍方面僅次於超導量子計算。早在 2003 年，基於離子阱就可以演示兩位元量子演算法。

離子阱編碼量子位元主要是利用真空腔中的電場囚禁少數離子，並通過鐳射冷卻這些囚禁的離子。

以囚禁 Yb+ 離子為例：

20 個 Yb+ 連成一排，每一個離子在超精細相互作用下產生的兩個能級作為量子位元的兩個能級，標記為 |↑> 和 |↓>；

下圖表示通過合適的鐳射可以將離子調節到基態：

下圖表示可以通過觀察熒光來探測位元是否處於 |↑>。

優點：
離子阱的讀出和初始化效率可以接近 100%，這是它超過前兩種位元形式的優勢。

研究進展：
國外：
2016 年，美國馬里蘭大學 C. Monroe 組基於離子阱製備了 5 位元可程式設計量子計算機，其單位元和兩位元的操作保真度平均可以達到 98%，執行 Deutsch–Jozsa 演算法的保真度可以達到95%；

除了量子計算，離子阱還能用來進行量子模擬。2017 年，C. Monroe 組使用了 53 個離子實現了多體相互作用相位躍遷的觀測，讀出效率高達 99%，是迄今為止位元數目最多的高讀出效率量子模擬器。

雖然不能單獨控制單個位元的操作，但是這也證明了離子阱量子計算的巨大潛力。

對於兩位元操控速度問題，2018 年，牛津大學的 Lucas 組通過改進鐳射脈衝，達到了最快 480 ns 的操作速度，展現了離子阱量子計算的豐富前景。

2015 年，馬里蘭大學和杜克大學聯合成立了 IonQ 量子計算公司，計劃在 2018 年將自己的量子計算機推向市場，這是繼超導量子計算之後第二個能夠面向公眾的商用量子計算體系。；

國內：
清華大學的金奇奐研究組和中國科學技術大學的李傳鋒、黃運峰研究組已經實現了對一個離子的操控，做了一些量子模擬方面的工作；

清華大學計劃在五年內實現單個離子阱中 15-20 個離子的相干操控，演示量子演算法，說明中國也已經加入到了離子阱量子計算的競賽中。

1.3.2 原子量子計算

原理：
不同於離子，原子不帶電，原子之間沒有庫倫相互作用，因此可以非常緊密地連在一起而不相互影響。原子可以通過磁場或者光場來囚禁，用後者可以形成一維、二維甚至三維的原子陣列，如下圖：

操作：
原子可以通過邊帶冷卻的方式冷卻到基態，然後同樣可以通過鐳射對位元進行操控，位元的讀出也類似於離子阱的方法。

缺點：
由於沒有庫倫相互作用，兩位元操控在原子中較難實現，它們必須首先被激發到裡德堡態，原子的能量升高，波函式展寬，再通過裡德堡阻塞機制實現兩位元操控。

評價：
儘管迄今為止，原子量子位元的兩位元糾纏的保真度只有 75%，還遠遠落後於離子阱和超導位元，但是 2016 年一篇論文中，通過理論計算，經過波形修飾的兩個原子量子位元的糾纏保真度可以達到 99.99%。

1.3.3 核自旋量子計算

1997 年，史丹佛大學的 Chuang 等人提出利用核磁共振來進行量子計算的實驗。

之後，基於核自旋的量子計算迅速發展，Grover 搜尋演算法和七位元 Shor 演算法相繼在核自旋上實現。迄今為止，它的單位元和兩位元保真度可以分別達到 99.97%和 99.5%。

原理：
這種方法一般是利用液體中分子的核自旋進行實驗。
由於分子內部電子間複雜的排斥作用，不同的核自旋具有不同的共振頻率，因而可以被單獨操控；
不同的核自旋通過電子間接發生相互作用，可以進行兩位元操作。

下圖是一種用於核磁共振實驗的分子，裡面的兩個 C 原子用 13C 標記，加上外面 5 個 F 原子，它們 7 個構成實驗用的 7 個位元，表中顯示了用於 Shor 演算法的核磁共振實驗的分子結構及相關引數，有位元頻率、相干時間和相互作用能。

缺點：
依賴於分子結構，難以擴充套件，而且是利用多個分子的集體效應進行操控，初始化比較有難度。

研究進展：
國內從事核自旋量子計算實驗的主要有清華大學的龍桂魯課題組，2017 年，該課題組將核自旋量子計算連線到雲端，向公眾開放使用，該雲服務包含四個量子位元，位元保真度超過 98%。

1.3.4 拓撲量子計算

實現原理：
利用的是一種叫做非阿貝爾任意子的準粒子。
實現過程：
· 首先要在某種系統中創造出一系列任意子-反任意子；
· 然後將這些任意子的兩種熔接（fusion）結果作為量子位元的兩個能級；
· 再利用編織（braiding）進行量子位元的操控；
· 最後通過測量任意子的熔接結果得到位元的末態。

優點：
這一系列操作對噪聲和退相干都有極大地免疫，因為唯一改變數子態的機制就是隨機產生的任意子-反任意子對干擾了位元的編織過程，但這種情況在低溫下是非常罕見的，噪聲和其他量子位元系統常見的電荷等相比，影響是非常小的。

研究進展：
現在國際上進行拓撲量子計算研究的實驗組主要是荷蘭代爾夫特理工大學的 Kouwenhoven研究組和丹麥哥本哈根大學的 Marcus 研究組。

從 2012 年首次在半導體-超導體異質結中觀察到馬約拉納零模的特徵開始，到 2018 年觀察到量子化的電導平臺，Kouwenhoven 研究組的實驗已經讓大多數科學家認同了可以在這種體系中產生馬約拉納費米子。不僅如此，進行拓撲量子計算的 Al-InSb 和 Al-InP 兩種半導體-超導體耦合的奈米線陣列已經先後在實驗中實現。未來將嘗試進行編織實驗，實現世界上第一個拓撲量子位元。

最近在量子反常霍爾絕緣體-超導結構中發現的一維馬約拉納模式也被認為可以用於拓撲量子計算，但是基於馬約拉納費米子進行的拓撲量子計算仍然不能滿足單位元任意的旋轉，它仍然需要和其他形式的量子位元互補或者通過某種方法進行近似的量子操作，不過，對高質量量子位元的追求仍然推動著科學家研究拓撲量子位元。

不同於其他美國巨頭公司，微軟公司在量子計算方面押注在拓撲量子計算，其與荷蘭代爾夫特理工大學、丹麥哥本哈根大學、瑞士蘇黎世理工大學、美國加州大學聖芭芭拉分校、普渡大學和馬里蘭大學在實驗和理論上展開了廣泛的合作，目標是五年內製備出世界上第一個拓撲量子位元，其拓撲保護的時間可長達一秒。

中國在拓撲量子計算方面也開始發力，2017 年 12 月 1 日，中國科學院拓撲量子計算卓越創新中心在中國科學院大學啟動籌建，國科大卡弗裡理論科學研究所所長張富春任中心負責人。未來幾年可能是中國拓撲量子計算的高速發展期。

無論未來的量子計算髮展情況如何，中國在各個量子計算方式上都進行了跟隨式研究，這是我國現有的技術發展水平和國家實力的體現。隨著國家對相關科研的進一步投入，相信未來在量子計算的實現方面，也可以領先於世界其他國家，實現彎道超車。

2 量子計算機硬體

量子晶片不等同於量子計算機，它僅僅是量子計算機中的一個核心結構。

量子計算機，是建立在量子晶片基礎上的運算機器。其中最關鍵的兩點是：
如何將運算任務轉化為對量子晶片中量子位元的控制指令；
如何從量子晶片上量子位元的量子態中提取出運算結果。
除此以外，量子計算機需要提供能維持量子晶片執行的基本環境。

這些都需要特殊的硬體系統來實現，它們實現了量子計算機軟體層到量子計算機晶片層的互動。

量子計算機硬體，主要包含兩個部分：
· 量子晶片支援系統 —— 用於提供量子晶片所必需的執行環境；
· 量子計算機控制系統 —— 用於實現對量子晶片的控制，以完成運算過程並獲得運算結果。

由於目前國際主流量子計算研發團隊主要聚焦超導量子晶片與半導體量子芯片這兩種體系，同時它們的量子計算機硬體有相當多的共性，因此以下將具體展開介紹這兩種體系適用的量子計算機硬體。

2.1 量子晶片支援系統

超導量子晶片和半導體量子晶片對執行環境的需求類似，最基本的需求均為接近絕對零度的極低溫環境。

稀釋製冷機能夠提供量子晶片所需的工作溫度和環境。

在 2018 年 IBM’s inaugural Index 開發者大會上，IBM 展示的“50 位量子計算機原型機”，實際上就是維持 50 位量子晶片執行的稀釋製冷機以及其內部的線路構造。

量子計算研究人員需要花費大量精力設計、改造、優化稀釋製冷機內部的控制線路與遮蔽裝置，以全面地抑制可能造成量子晶片效能下降的噪聲因素。其中最主要的三點是熱噪聲、環境電磁輻射噪聲以及控制線路帶來的噪聲。

• 抑制熱噪聲的主要方式
  在稀釋製冷機的基礎上，為量子晶片設計能迅速帶走熱量的熱沉裝置，該裝置需要相容量子晶片的封裝。下圖是包含多種熱沉結構的量子晶片封裝照片，包含半導體量子晶片以及超導量子晶片，其中熱沉主要使用了無氧紫銅材料。

• 抑制環境電磁輻射噪聲
  環境電磁輻射噪聲是較難控制的環境干擾，其中又可以分為電場輻射以及磁場輻射。
  工作於極低溫環境的電磁遮蔽技術，一直是伴著量子計算研究人員的需求發展的。下圖展示了伯克利大學 Sidiqqi 研究組使用的一種紅外輻射遮蔽技術。他們設計了用於包裹量子晶片的遮蔽桶，並在桶的內壁使用了一種黑色的特殊塗層，用於增強對紅外輻射的吸收。

• 抑制控制線路攜帶的噪聲
  控制線路攜帶的噪聲主要也是由熱效應引起的。
  由於量子晶片工作環境的特殊性，從量子計算機控制系統發出的控制訊號，要從稀釋製冷機接入，經過漫長的低溫線路，最後到達量子晶片。而熱噪聲近似和溫度成正比，可想而知，從室溫（約 300 K）傳入的噪聲，相比前面所說的量子位元能級對應的噪聲溫度（約 300 mK）相差了近 1000 倍。這麼大的噪聲如果直接到達維持在 10 mK 溫度的量子晶片，則會直接破壞量子位元的量子相干性。
  解決辦法是儘可能地抑制從室溫傳入的訊號，使從室溫傳入的噪聲降至和量子晶片的工作溫度一個級別。同時，我們還要通過各類特種低溫濾波器，設法將除了控制訊號以外的其他所有頻段的無關訊號一併濾除。下圖是適用於超導量子晶片的量子晶片支援系統中極低溫控制線路的設定。

2.2 量子計算機控制系統

量子計算機控制系統提供的是以下兩個關鍵問題的解決方案：如何將運算任務轉化為對量子晶片中量子位元的控制指令；
如何從量子晶片上量子位元的量子態中提取出運算結果。

其背後的基礎是：
如何實施量子邏輯閘操作；
如何實施量子位元讀取。

• 如何實施量子邏輯閘操作

量子邏輯閘操作的本質是使一組量子位元經過指定的受控量子演化過程。 例如，使得量子位元從基態（或者稱 |0⟩ 態）到激發態（或者稱 |1⟩ 態），可以藉助一個單量子位元 X 門來實現。

實施這樣的受控量子演化過程，需要藉助精密的脈衝訊號，通常可以使用高速任意波形發生器、商用微波源、混頻線路等的組合來實現。當然，通過對光場、磁場甚至機械聲波的調控，也可以在某些量子晶片體系中實現量子邏輯閘操作。

商用裝置的效能越高，越容易實現高保真度的量子邏輯閘操作，當然，前提是量子位元的質量可靠。

• 如何實施量子位元讀取

量子態的讀取有多種方式，但考慮到需要讀取量子晶片中某個或者某組量子位元的量子態，必須要使用一種稱之為非破壞性測量的方式，以消除因測量導致的反作用。通常的方法是在量子位元結構旁邊額外設計一個對量子態敏感的探測器，間接地通過探測探測器的響應來推測量子位元的量子態。下圖是一個半導體量子晶片以及其探測器結構：

該探測器為一個 RF 探測器，通過該探測器的指定頻率的微波訊號會隨著半導體量子晶片中電子狀態變化，進而能從 RF 探測器的訊號中計算出量子位元的量子態變化。捕獲 RF 探測器的訊號的裝置通常為網路分析儀或者高速數字採集卡。

隨著量子晶片整合度的提高，純粹採用商用儀器搭建量子晶片的控制與讀取系統的方法的弊端越來越大：成本昂貴，功能冗餘，相容性差，難以整合，並不滿足未來量子計算機的發展需要。為量子計算機專門設計並研製適用的量子計算機控制系統，是明智的選擇。

· 量子計算機控制系統的研究進展

2016 年，蘇黎世儀器公司與代爾夫特理工大學研究團隊成立的 QuTech 公司合作，研製了一套可用於 7 位超導量子晶片工作的整合量子晶片測控系統，包含最高可擴充套件至 64 通道的 AWG 以及同步的高速 ADC 採集通道。

2017 年底，是德科技自主研發了一套 100 通道的量子晶片測控系統，具備百 ps 級系統同步效能與百 ns 級量子晶片訊號實時處理能力，最高可用於 20 位超導量子晶片完整執行。

2018 年，合肥本源量子計算科技有限責任公司也研製出 40 通道的量子晶片測控系統，可以應用於 8 位超導量子晶片或者 2 位半導體量子晶片，這是國內第一套完整的量子計算機控制系統。

除此之外，加州大學-聖塔芭芭拉分校、蘇黎世理工學院、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室、Raytheon BBN Technologies 公司等都有自主研發的量子計算機控制系統或者模組。為了降低功耗，提高訊號質量，代爾夫特理工大學和悉尼大學的研究團隊開展了 4K 到 100mK 溫度的極低溫量子計算機控制系統的研究。

3 量子計算機

3.1 量子計算機整體架構

3.1.1 量子計算的定位：[異構計算]

量子計算領域屬於一個新興高速發展的領域，在近二十年間，不論是量子演算法的研究，還是量子晶片的研發均取得了巨大的進展。

由於量子計算的理論研究有限，目前所說的量子計算機並非是一個可獨立完成計算任務的裝置，而是一個可以對特定問題有指數級別加速的協處理器。相應的，目前所說的量子計算，本質上來說是一種異構運算，即在經典計算機執行計算任務的同時，將需要加速的程式在量子晶片上執行，如下圖所示：

3.1.2 量子程式程式碼構成：宿主程式碼 + 裝置程式碼

量子計算的程式程式碼實際執行中分為兩種：

• 執行在 CPU 上的宿主程式碼（Host code）—— 主要用於執行不需要加速的任務，併為需要加速的任務提供需要的資料；

• 執行在量子晶片上的裝置程式碼（Device code）—— 主要用於描述量子線路，控制量子程式在量子晶片上的執行順序，以及資料的傳輸。

不同型別的程式碼由於其執行的物理位置不同，編譯方式和訪問的資源均不同，這跟英偉達公司推出的用 GPU 解決複雜的計算問題的平行計算架構 CUDA 非常類似。

以下所提及的量子程式，指的是 Device code。

3.2 量子程式架構（裝置程式碼的架構）

3.2.1 量子高階語言

與經典計算機語言類似，描述量子程式的語言也有高階語言與低階語言之分。

量子高階語言，類似於經典計算機語言中 C++。在描述量子線路時，不需要考慮量子晶片的底層物理實現，包括可執行量子邏輯閘的種類，量子位元的連通性等，這就像一個經典的程式設計師並不需要考慮底層的執行晶片是 x86 架構，還是 RISC 架構一樣。

QPanda,QRunes 均屬於量子高階語言。

量子高階語言的作用：
用於描述量子線路的邏輯閘構成、量子程式段之間的執行順序，如 Qif,QWhile 等，以及記憶體之間的通訊。

3.2.2 量子組合語言的編譯原則

量子高階語言會根據底層晶片的特點，通過量子程式編譯器，編譯為量子組合語言。

量子程式編譯器一般會考慮兩個方面：

• 量子晶片可執行的量子邏輯閘種類
• 量子位元的連通性

不可直接執行的量子位元邏輯閘拆分
量子晶片提供的可直接執行的邏輯閘是完備的，即可以表徵所有的量子位元邏輯閘，因此，如果量子高階語言描述的量子程式中包含了量子晶片不可直接執行的量子邏輯閘，量子程式編譯器會根據量子晶片提供的量子邏輯閘將其轉化為可執行量子邏輯閘構成的序列。

量子位元連通性與不連通門的轉換
相同數量的量子位元對於不同的量子晶片結構，可執行兩量子位元邏輯閘的量子位元對可能完全不同。
目前常見的量子晶片結構有鏈式結構，十字結構，以及全連通結構。
如果量子高階語言描述的量子程式中包含量子晶片不可直接執行的兩量子位元邏輯閘，量子程式編譯器會根據量子晶片的連通性，利用交換門和可執行的兩位元門的序列，取代量子程式中的兩量子位元邏輯閘。
例如下圖：

左邊是一個三量子位元的鏈式結構量子晶片，可執行兩量子位元邏輯閘的量子位元對有 {{1,2},{2,3}}，圖中顯示的 CNOT 1,3 對於此量子晶片是不可執行的邏輯閘，因為對於鏈式結構，量子位元成鏈狀排布，每個量子位元只能與其相鄰的兩個量子位元執行兩量子位元邏輯閘。因此，我們可以先用 SWAP 1,2 進行交換、然後進行操作 CNOT 2,3、最後再用 SWAP1,2 換回原來的位置，這樣構成的量子邏輯閘序列就可以取代在原來結構中的 CNOT1,3。

3.2.3 量子程式的可執行檔案

對於經典程式來說，組合語言轉化為計算機可直接執行二進位制檔案，即可被經典計算機執行；而量子晶片可直接執行的檔案並非一串 0 1 組合的二進位制檔案，而是由測控裝置產生的精密的脈衝模擬訊號，因此對於量子組合語言，應該轉化成測控裝置所能執行的檔案。

此檔案中不僅包含著每個量子位元邏輯閘的脈衝波形，還需要包含波形的執行順序，根據波形執行順序的表徵形式不同，量子計算硬體架構可細分為兩類。

• 順序執行的傳統量子體系結構的可執行檔案：量子程式的整段波形檔案
  在傳統的量子體系結構中，波形執行順序體現在波形檔案中，即編譯器將量子彙編程式中的量子位元邏輯閘的波形，按照執行順序拼接為一個整體的波形，並將此波形以二進位制檔案的形式存放至測控裝置的記憶體中。
  優點：
  測控裝置可以從記憶體中直接讀取波形，並施加到量子晶片上，延時極短，執行效率很高；
  缺點：
  但由於上位機與測控裝置之間的通訊時間很長，遠大於量子位元的退相干時間，即在量子位元完成測量傳送至上位機，以及上位機根據測量結果將後續要執行的波形檔案傳送至測控裝置記憶體的期間，量子位元已經退相干，無法繼續執行量子位元邏輯閘。
  因此，這種架構只能執行順序執行的上位機傳送的波形檔案，在執行期間不可改變波形的執行順序，進而無法執行包含基於測量結果的跳轉量子程式。
  改進：
  將量子程式中可能執行的量子程式段的波形，全部上傳至測控裝置的記憶體中，當測量裝置得到量子位元的測量結果時，根據測量結果決定接下來輸出的波形在記憶體中的地址，且整個反饋過程的延時遠小於量子位元的退相干時間。

• 增強擴充套件性的新量子體系結構
  增強擴充套件性的新量子體系結構的可執行檔案構成：所有邏輯閘的波形檔案 + 微處理器程式
  為了降低任意波形發生器的記憶體開銷，增加系統的可擴充套件性，目前已有科研團隊提出另一種量子計算機架構：上位機-微處理器-測控裝置-量子晶片架構。
  優點：
  測控裝置無需存放量子程式對應的所有波形，大大減少了記憶體開銷；
  缺點：
  通過執行微處理器程式控制測控裝置，對微處理器的執行速度要求較高。