超导量子计算机组到底是什么

答案：它是用超导电路实现量子比特并协同工作的物理系统，用来完成经典芯片搞不定的计算任务

为什么说“组”而不是一台量子电脑？

量子芯片怕冷、怕噪、怕热，实验里必须靠一套“组合”才能存活：

1. 稀释制冷机——把温度压到绝对零度以上0.01度；
2. 超导谐振腔——像“吉他”一样储存与放大量子信号；
3. 室温电子学机柜——发出微波脉冲，像管弦乐指挥棒一样调度量子比特。
   没有这些设备，一块指甲大小的超导芯片只是一片昂贵的金属片。

---

超导量子比特靠什么“记住” 0 和 1？

经典比特非0即1，量子比特却能同时是0和1。秘诀在于一块约瑟夫森结——由两片铝夹着一层纳米厚的氧化铝组成。

冯·诺依曼早已提出：“计算的本质是对能量的操控。”约瑟夫森结能让库珀对（超导电子）在两块铝之间来回隧穿，形成“能量势阱”，实现可叠加的量子态。

温度低于-273 °C时，库珀对就像“鱼群”集体行动，外界噪声很难打扰它们，于是量子信息能被存留微秒级时间，对人类而言已经绰绰有余。

---

谷歌“悬铃木”实验为何震撼世界

2019 年 Google 的 53 量子比特处理器“Sycamore”花了 200 秒完成一项矩阵随机采样，官方称同样的任务让最强超算 Summit 要跑 1 万年。注意“跑得更快”并不适用于所有应用，这引出一个关键区分：

• 量子霸权（Quantum Supremacy）：在某特定问题上碾压经典计算；
• 通用量子计算（Universal Quantum Computer）：理论上可解任意算法，但门槛是百万级量子比特，且需要逻辑错误率低到 1 错误/10⁴ 次门操作。

---

新人常问的四大疑问

问：我在家能买到超导量子计算机吗？

答：现阶段商用系统集中在 IBM Quantum Network、AWS Braket、微软 Azure Quantum 云平台上，个人用户可在浏览器里拖拽图形化的量子门，真正跑在远端的稀释制冷机芯片上，“云用冷机”才是正确姿势。

问：学这个专业要精通物理吗？

答：需要分层次。
• 硬件层：掌握固体物理、微波工程和低温技术；
• 软件层：懂 Python、Qiskit、Cirq，就能把算法“翻译成”量子门；
• 算法层：线性代数与概率论足以入门，想深耕再补群论和拓扑量子场论。

问：超导方案和离子阱、光量子到底谁更强？

超导量子比特优点是规模化成熟，靠半导体工艺就能在硅片上批量制造；缺点是退相干时间短。离子阱的量子寿命可达分钟级，但单个芯片上只能容纳几十个离子，好比一个“小而美”的研究所 vs 一个“大而快”的工厂，两者正通过量子 *** 走向互补。

问：量子计算会不会让比特币瞬间被破译？

答：比特币用椭圆曲线签名，Shor 算法确实可以破解，但所需量子比特数量 ≈ 2千万。以当前进展，乐观估计也要二三十年。到那时，加密体系早已迁移到后量子密码（格基、哈希基等），正如蒸汽机没让帆船一夜消失，新技术总会先与旧生态共存。

---

我亲自在 IBM Quantum 跑过的“Hello Quantum”实验

新手之一步：

1. 打开 IBM Quantum Composer，拖一个 Hadamard 门到 |0⟩ 线上；
2. 再加一个 CNOT，把 0 线当控制，1 线当目标；
3. 点击 Run，等待 2~5 分钟，看到计数直方图出现 50% |00⟩、50% |11⟩。
   这个结果正是贝尔态，验证了量子纠缠的存在。你会发现，整个实验就像“搭积木”——无需懂麦克斯韦方程，也能体会到量子力学的味道。

---

来自《三体》的一段隐喻

刘慈欣写智子锁死地球的科技，靠的是在高维空间展开的质子；而现实中，超导量子计算也在微观世界搭起“高维舞台”——只不过用的是约瑟夫森结。前者是宇宙级幻想，后者已走到实验室边缘。正如智子与人类博弈，量子比特与退相干也在每天上演“猫鼠游戏”，每一次延长相干时间的实验，都是人类向自然法则投出的一记试探性石子。

---

引文：John Preskill, “Quantum Computing in the NISQ era and beyond”. Quantum 2018.