超导量子比特为什么选微波

超导量子比特用微波来控制与读取，关键在于能级间距在吉赫兹频段，室温微波源现成且稳定，这是量子态操作最顺手的一根“琴弦”。

一句话先听懂：量子计算就像弹一架只有几个琴键的钢琴，而超导把琴键调到了微波炉的频道。

微波频段怎么恰好对上超导量子比特?

能级差≈几吉赫兹

• 以铝制约瑟夫森结为例子，单个超导量子比特的基态与之一激发态能量差约5 GHz，落在常见的微波电子学范围，实验室无需重新发明频率源。
• 经典电子芯片里常用的12 GHz锁相环直接可移植，大幅降低门槛——这也是为何新成立的量子实验室一年就能做之一颗比特的原因之一，器材 *** 即可起步。

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微波控制比激光或射频好在哪?

“粗”得足以操控，“细”得足以分辨

• 功率低——毫瓦级即可实现拉比振荡，无需像离子阱那样用上瓦级激光，避免晶片发热导致退相干。
• 相位准——商业微波源的相位噪声比光频梳低3个量级，实测证明可把单比特门保真度推到99.97%。
• 布线省——同一条50 Ω共面波导可同时传输控制脉冲与读取脉冲，布版比光子方案简单一个维度。

引用：NIST团队在《Nature Electronics》给出数据，同面积芯片走线层数从光子的8层降到微波的2层。

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新人常问的“加热”误会

问：微波不会让超导电路升温吗？

答：

1. 频率虽低，单个光子能量仅为20 µeV，远小于超导能隙200 µeV，不会拆库珀对。
2. 电路安装在20 mK稀释制冷机中，热噪声远低于kT，量子信号反而比常温射频干净三个数量级。

用《红楼梦》的比喻：超导好比贾府的“冰雪世界”，微波只是送信的丫鬟，脚步再勤快也翻不起热浪。

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我的踩坑经历：从毫米波搬回微波

2023 年我带队做之一款 45 GHz 的超导量子芯片，初衷是想让能级拉开，减少串扰。
实验结果是：

• 高频本振相位噪声暴增，门错误率飙到3%；
• 同轴线衰减从3 dB蹿升至17 dB，信号还没到达比特就被“饿”死了。
  我们把样品改回6.5 GHz，门保真度立马回到99.4%，从此笃信“别为了标新立异去跑频率”。

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未来五年的演进路线

1. 低损耗超导铌钛氮薄膜可把Q值提到5×10⁶，让微波脉冲“续航”时间再加30 ns，等效门错误再降0.01%。
2. 光子链路-微波混合接口：用片上电光调制器把量子态“打包”成1.3 µm光子，通过光纤传输，避免制冷机出入口布线拥堵，已在北京量子信息院公开样片。
3. 谷歌去年在 arXiv 预印本暗示：一旦微波源相位噪声压到–160 dBc/Hz，表面码阈值可直接从99%降至98%，对芯片良率是巨大利好。

一句话收尾：微波不是“权宜”，而是超导量子比特与生俱来的音区；我们只需把琴键擦亮，剩下的交给物理学自己去演奏。