量子计算机为何要用超导体

超导体能让量子比特在近乎零电阻的环境里稳定运行，从而降低退相干时间。

什么是量子比特？它和传统比特有什么本质区别？

传统比特只能在同一时刻取 0 或 1；
量子比特可以同时处于 0 和 1 的叠加态。
用《西游记》里的比喻，量子比特就像孙悟空的分身术：一根毫毛吹出无数“同时存在”的孙悟空；如果其中一个被消灭，整个法术就崩溃了。
为了保存这个叠加状态，环境必须极低温、极低噪声，普通金属导线因电阻会发热，噪音就像“妖怪在拔毫毛”，很快就会让量子比特“还原本相”。

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超导体为什么是低温下的“守护者”？

超导体的定义是电阻骤然降到零，电子形成“库珀对”。
当温度降到超导临界温度 Tc 以下，电子不再单打独斗，而是以成对的方式整体协同运动；任何单个杂质或热涨落都无法拆散它们。
这样一来，导线本身没有噪声，也不会因为焦耳发热破坏量子相干性。
引用巴丁（John Bardeen，两次诺奖得主）当年的评价：“超导电性是宏观量子现象的范本”，这句话在今天的量子芯片里得到了精确复现。

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超导量子比特长什么样？

常见的是 Tran *** on：
• 它是一小块铝膜做成的微小电容器，再用约瑟夫森结（两片铝之间夹一层极薄氧化铝，薄到电子可量子隧穿）代替传统电感。
• 整个器件被装在稀释制冷机的 10 mK 冷盘里，比外太空还冷。
• 用微波脉冲操控量子态，读写用超导谐振腔。

自问自答：为什么非要用铝？

除了工艺成熟，铝的 Tc ≈ 1.2 K，在 10 mK 下余量足够大，而且铝表面容易形成致密氧化层，既当绝缘体又当隧穿势垒，一石二鸟。

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如果没有超导体，会怎样？

举例：传统铜线的电阻即便降到 4 K 也仍有 0.1 nΩ/cm；一条 1 cm 长的铜线连接两个量子比特，就等效于在电路里塞进了一只持续发出白噪声的“小黑屋”；
结果 T₂＜ 100 ns，你的量子算法还没开始运算，量子态已经丢失。
而在铝基超导线上，T₂ 可以延长到 100–200 μs，足够完成百万门级别的量子线路。

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超导量子芯片的“全家福”构成

1. 超导量子比特——负责存储信息；
2. 超导共面波导谐振腔——像邮差，把微波读写信号准确地送进、送出比特；
3. 超导约瑟夫森参量放大器（JPA）——像显微镜，把只有几个光子的极弱信号先放大、再交给室温电子学设备；
4. 多层磁屏蔽 + 铌屏蔽盒——隔绝地球磁场、Wi-Fi、地铁杂波。

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真实数据告诉你“超导体节省了多少电”

2024 年，谷歌 “Willow” 超导芯片用 ~100 µW 维持 105 个活跃量子比特，
同一规模若用常导体+电冷泵系统，需要 ~10 kW；
功耗差距 十万倍以上；省出来的不只是电费，更是宝贵的制冷功率，可用于装更多量子比特。

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写在最后的个人观察

过去十年，超导路线之所以领跑，不是因为它原理最巧妙，而是工程可扩展性最强。
从手机处理器“28 nm→5 nm”的物理极限，我们学到摩尔定律终将放缓；
而量子芯片今天仍停留在微米尺度，远没到“器件极限”，这意味着铝、铌、钽这几种看似普通的金属，还能支撑至少十年的工艺演进。
下一阶段的亮点或许不在寻找更新颖的材料，而在于把 10 mK 工艺标准化、自动化，让量子计算机像当年 IBM 360 一样走出实验室。