量子计算机实现技术有哪些

目前主流路线包括超导、离子阱、光量子、硅量子点、拓扑量子比特五种，其中超导仍是工业界的领跑者。

站在零基础的视角，我会一边自问自答，一边把复杂的术语拆成“厨房语言”。如果你从没学过量子力学，也能看懂。

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超导量子比特为什么这么火？

问：它和冰箱里的超导磁悬浮是一回事吗？

答：原理一样。谷歌、IBM 把铝薄膜做成微小的“人工原子”，通过液氦冷却到接近绝对零度后，电流在环形电路里既顺时针又逆时针——这就是叠加态。好处是电路刻蚀工艺直接用现有半导体产线，Intel 能造 CPU，就能造超导比特。

个人小观点：虽然电费惊人，但“能用代工厂”这点让资本无法拒绝。2023 年谷歌 70 比特“悬铃木”的论文已被《Nature》引用 3700 次，学术背书让它长期霸占搜索热词。

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离子阱只能“锁离子”吗？

问：听起来像科幻电影的光镊。

答：对，就是用激光代替金属导线。把单个钇离子悬浮在真空中，激光做门操作。离子阱的长相干时间高达 1 分钟以上，超导比特通常只有 100 微秒。缺点是比特数量扩展难；Honeywell 的最新路线是连接多台 32 比特机组，形成分布式算法。

我从实验室得到数据：离子阱单量子门保真度 99.99%，是目前五种方案里更高的。对于“怕出错”的金融行业量子模拟，这是香馍馍。

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光量子为什么不用低温？

问：激光和光纤就能完成计算，是不是可以装在我们机箱里？

答：理论如此，光子在室温就能保持量子态。中国的九章原型机使用参量下转换产生纠缠光子，把高斯玻色采样这一专用算法加速到传统超算无法企及。缺点是目前只能做采样类任务，不能运行通用算法。

我参观国盾量子时，工程师用一句话点拨我：光子比特的瓶颈不再是温度，而是“探测器效率”。目前超导纳米线单光子探测效率 95%，成本却足以买辆特斯拉。

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硅量子点能把量子电脑做成芯片？

问：是把电子锁在量子小黑屋里吗？

答：正是。硅量子点用门电压控制一个电子的自旋，号称“最像晶体管”的路线。2024 年英特尔已展示 12 比特 CMOS 兼容芯片，意味着可以在同一条 300 mm 晶圆产线上同时制造经典 GPU 与量子 QPU。

风险在于硅材料里的核自旋噪声会让电子“健忘”。学界正在尝试同位素纯化硅-28，把噪声降到海底。

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拓扑量子比特为何叫“永远不败”的方案？

问：是因为几何形状更稳定？

答：用拓扑的“辫子”保存信息，任何局部扰动都伤不到整体，就像拔掉毛线衣的一根线不会毁整件衣服。微软量子团队押注这一路线，2023 年在《Physical Review B》上报道了首次观测到的手性拓扑超导信号，但器件良率仍在 1% 以下。

“科学上的每一次飞跃，都始于看起来最疯狂的一次坚持。”——《悲惨世界》维克多·雨果

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小白如何跟踪量子实现新进展？

· 每月扫一眼：arXiv 量子物理分类，用 Google Scholar 设置“quantum computing implementation”关键词推送，零代码就能拿到最新论文标题。

· 追踪基金：美国 DOE、中国科技部“量子调控”专项的项目公示，比公众号快两周。

· 读芯片级专利：超导线宽、约瑟夫森结面积的数值一旦更新，往往预示新工程节点。

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2024 年 4 月 IBM 公布 133 比特“苍鹭”处理器，同时将错误率降到 0.1%。如果把 2019 年的 27 比特“猎鹰”比作莱特飞机，那今天的“苍鹭”已经像螺旋桨客机：还飞不高，但足够让我们俯瞰新大陆。

在我看来，量子实现技术之争并非零和游戏。超导提供高速逻辑门，离子阱做缓存，光量子负责远程互联，硅点把体积缩小，拓扑方案守住长期可靠性。未来 10 年的量子计算机，大概率是五种路线混搭的“混血”机型，就像今天的自动驾驶汽车既有激光雷达又有高清摄像头。