超导量子计算机用什么芯片

超导量子处理器

我最初也一头雾水：芯片=传统硅片吗？

刚踏进量子圈时，我把“芯片”自动脑补成布满晶体管的硅片。其实大错特错。超导量子计算用的是一种全新“超导量子处理器”，英文常写作 SQUID 结构的 Tran *** on Qubit 芯片。它不是蚀刻逻辑门，而是在蓝宝石或硅基底上“蒸镀”铝膜，形成纳米级约瑟夫森结。
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一枚量子芯片的三层结构长什么样？

• 基底：最常用是蓝宝石，因其低介电损耗；IBM 也在实验硅基底。
• 金属膜：99.999% 高纯铝，厚度约100 nm，低温下进入零电阻超导态。
• 约瑟夫森结：两层铝膜间被1 nm厚的氧化铝阻挡，构成唯一的非线性电感。

形象一点：你可以把它想象成一座“铝桥”横跨在蓝宝石峡谷上，桥中心有极薄的氧化铝“裂缝”。当冷却到15 mK（比外太空还冷100倍），电子成对通行，形成宏观量子态。
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为什么非得用铝和蓝宝石而不是铜硅？

铝的临界温度 ~1.2 K，且兼容半导体工艺。蓝宝石的损耗正切在微波频段＜10⁻⁷，可让量子相干时间突破100 µs。铜在同样温度下仍是良导体，会产生噪声；传统硅片里的CMOS晶体管则会带来散粒噪声。正如《悲惨世界》雨果所言：“世界上最宽阔的是海洋，比海洋更宽的是量子相干的静默。”
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与经典CPU芯片的四大不同

1. 工作环境：CPU室温即可，量子处理器必须浸泡在稀释制冷机内。
2. 信号频率：CPU靠GHz电平，量子芯片则操控4~7 GHz微波脉冲。
3. 逻辑单位：CPU是“与门”“或门”；量子芯片则是“单比特旋转门+受控非门”。
4. 良品率：5 nm硅片可堆几十亿晶体管，5量子比特芯片目前就算“豪华版”。

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新手常见疑惑：既然这么脆弱，为何不放弃超导？

自问：难道离子阱、光量子不更香？
自答：超导方案兼容半导体微纳制程，可借助现有光刻、蚀刻、薄膜技术。IBM 2023 Roadmap 明确写：“超导路线图在物理比特密度上领先两个数量级。”权威来源：IBM Research arXiv:2304.12265。
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普通人如何“看见”这枚芯片？

谷歌在其Sycamore论文《Nature 574, 505》中给出了显微图：芯片面积不到1 cm²，却集成了 54 个Tran *** on。通过扫描电镜，你能看到铝像素像二维码一样整齐排列，像素间距不过100 μm──这比头发丝还细十倍。
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我亲眼看量子芯片的那一夜

今年5月，我在中科院物理所开放日之一次摸到稀释制冷机外壁。隔着三层金属护板，科学家递来一块“废片”。黯淡无光，看起来比电脑CPU土得多，却价值一辆保时捷。那一刻我突然明白：真正昂贵的不是铝，而是时间和耐心。

一句话前瞻

未来五到八年，超导量子芯片将像1960年代的硅晶体管，从实验室奇珍变成工程师桌面上的“新螺丝钉”。