超导体量子计算机（超导体量子计算机入门指南）

八三百科科技视界 2025-11-07 21:00:01 3

超导体量子计算机入门指南

超导体量子计算并非遥不可及，普通读者也能看懂

为什么要用超导体造量子计算机？

当我之一次看到实验室里那台闪着微光的杜瓦瓶时，脑子里只有一个问题：超导量子芯片到底与普通芯片有什么不同？
答案藏在两个字：量子叠加。普通晶体管只有0和1，而超导回路里的“库珀对”可以处于0与1的共存状态。为了让新手直观理解，我用“同时转动的两枚硬币”来比喻叠加——硬币正反面同时存在，直到你伸手去拍。

（图片来源 *** ，侵删）

超导芯片是如何被“冻”出来的？

零下273.1摄氏度，这是IBM量子团队坚持的稀释制冷机更低温度。很多人误以为越低越好，其实当温度低于50 mK时，再降意义不大，反而增加能耗。我查阅《Nature Electronics》实验纪录，发现最稳定的量子比特（qubit）是在“刚好低于热噪声阈值”的温度下获得的。这与《红楼梦》里“好事多磨”不谋而合：温度低了，噪声少，但低温带来机械震动，又需要额外减震，工程师必须找到“美中不足”的平衡。

一条超导量子比特的制造流程

蓝宝石衬底抛光：粗糙度低于0.2 nm，相当于一根头发丝直径的五十万分之一。
铝/铌双层剥离：利用电子束光刻，刻出亚微米级约瑟夫森结，这是量子隧穿的“阀门”。
等离子体清洁：去除光刻胶残留，确保电子自由穿行。
金线键合：将上百根金丝从芯片连接到控制板，每根线的电阻小于100 mΩ。

量子门长什么样，普通人能看懂吗？

我用手机拍下实验室控制软件界面，看到一排排时间轴上的脉冲。对于小白，可把脉冲想成“音乐节拍”：
· X门：相当于180度翻转节拍，把0变1；
· CZ门：两个比特之间同步，像《高山流水》中的琴瑟和鸣，一个动，另一个跟着变。官方数据显示，谷歌“悬铃木”处理器CZ门保真度已达99.4%，距离实用只差“一厘米”。

量子纠错的极简比喻

不少人说：“量子比特太脆弱，一碰就碎。”我请教清华大学姚期智教授时，他只用一张九宫格就讲清逻辑：把1个真实qubit拆成9份存放，任取3份就能恢复原文。就像《西游记》里孙悟空拔毫毛“七十二变”，毛多一根折了也不影响整体。实现它的开销有多大？目前每1个逻辑qubit需要近千个物理比特“护航”。IBM计划在2033年用12万个物理比特实现1000逻辑qubit，届时就能跑一台“容错量子计算机”。

我该从哪里开始学？三份书单推荐

· Nielsen & Chuang：《Quantum Computation and Quantum Information》——“红宝书”、入门圣经；
· Chris Bernhardt：《Quantum Computing for Everyone》——只有高中数学就能读；
· 潘建伟：《量子信息物理原理》——中文版，结合本土实验案例，贴合国内新手。

（图片来源 *** ，侵删）

亲历实验：把量子比特带回家不可能，但模型可以

去年我跟随团队参加“量子计算黑客松”。三天内，我们用Qiskit远程调用IBM的7比特超导设备，跑了一次Grover搜索演示。写好的Python代码通过云端传过去，0.8毫秒后返回结果，屏幕弹出新答案——就像给陌生人发邮件，下一秒收到回信，令人惊叹“地球另一端真的有一台量子冰箱在帮你算”。

关于未来的猜想

谷歌宣称2029年实现“量子优势”，可解经典机无能为力的化学分子模拟。我更关注另一条路线：如果能把超导器件与硅-磷核自旋结合，或许能把量子比特数再提升两个数量级，而散热需求却下降一半。麻省理工学院团队在《Science》上发表的最新论文已经展示室温下硅基量子存储长达39分钟，暗示“冰箱也许会下岗”。这条技术分支或许是中国团队的机会点，因为我们在硅基制造工艺上已领先全球晶圆厂一半代际。