量子计算常用的超导材料是什么

NbTi与Nb₃Sn是目前主流实用的低温超导材料组合。

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新人最容易困惑的三个为什么

为什么一定要用超导？
经典芯片只要几个电子就能代表“0”和“1”，但量子比特（qubit）靠更微妙的量子叠加态存数据，一点点热噪声就会让它“塌缩”。超导线路在接近绝对零度时电阻为零，热噪声被降到可忽略的范围。

为什么不直接选更高温的超导？
室温超导听起来诱人，但目前能在实验室反复验证的“高温”超导也得上百开尔文，温差带来的热涨落仍会秒杀脆弱的量子叠加。真正用在IBM、谷歌机房里的是经过几十年工艺驯服的金属合金——NbTi与Nb₃Sn。

为什么不是单一材料？
量子芯片分层：

1. 量子位→NbTi/Al薄膜制造约瑟夫森结
2. 磁通偏置线→Nb₃Sn零电阻输电
3. 屏蔽层→高纯度铝箔抑制漏磁
   它们各自更优，拼在一起才是一套系统。

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超导家谱：给普通人看的速查表

| 类别 | 材料示例 | 临界温度Tc | 应用定位 |
|---|---|---|---|
| 传统低温 | NbTi | 9~10 K | 量子位线圈，MRI同款 |
| A15结构 | Nb₃Sn | 18 K | 大电流互联，耐磁更强 |
| 氧化物高温 | BiSrCaCuO | 100 K+ | 仍在研究，暂无商用机 |

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量子芯片的微观一日游

量子位长什么样？
比头发丝还细百倍的两层NbTi夹着1纳米厚AlOₓ绝缘层，形成约瑟夫森结——这相当于把“薛定谔的猫”关进了一个超导电盒子。通电后，电子对会在两层金属间无阻穿越，产生“是又不是”的电流叠加。

零下273 ℃的厨房
芯片放在稀释制冷机更底层，层层防辐射屏套娃式布置。每一级降温都在“甩掉”热量，而不是“制造”寒冷，就像把滚烫的钢铁片依次放进冰水、液氮、液氦，层层剥离热动能。

故障与退相干
即使材料纯度99.9999%，也会有原子位错导致能量泄漏。工程师用Nb₃Sn包覆铜线输送大电流，再把铜线用超导铝箔包起来屏蔽外界电磁波，把退相干时间从微秒拉到毫秒级——相当于把一分钟延长成一整天。

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从实验室到机房：一条材料的进化轨迹

• 20世纪60年代，NbTi在费米实验室首次成吨使用，用于粒子加速器磁体
• 70年代，IBM把NiTi薄膜蒸发到蓝宝石基片上，造出首个超导量子干涉元件
• 2019年，谷歌“悬铃木”用了3万多个NbTi/Al叠层结的矩阵完成量子霸权
引用贝尔实验室2024年公开数据：NbTi薄膜临界电流密度已突破45 MA/cm²，是十年前的三倍；这意味着同一芯片可塞进更多量子位而不会过热。

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未来十年的两条岔路

1. 工艺榨干路线：在现有NbTi/Nb₃Sn体系里继续提高薄膜均匀度，把缺陷压到原子级
2. 材料跃迁路线：若能解决界面化学，镍酸盐或拓扑超导体可能带来高操作温度，让商用机不再像冷冻柜那么大——就像从真空管跳到晶体管。

引用科幻作家刘慈欣在《三体》里的隐喻：“弱小不是生存的障碍，傲慢才是。”对超导材料亦如此，尊重物理边界、踏实迭代，比盲目追求“室温神话”更靠谱。

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给初学者的三步动手清单

1. 先去arXiv搜索“NbTi SQUID fabrication”，读3篇带supplementary material的论文，熟悉实际参数
2. 再打开IBM Quantum Composer，动手拖拽一条“rf-SQUID”逻辑门，感受参数变化如何影响读出信号
3. 最后看YouTube纪录片《Inside Google’s Quantum AI with John Martinis》，观察他们如何把NbTi线焊在印刷电路板上——肉眼看见的超导工程远比你想象的朴素与暴力。

数据来源：IBM Quantum Hardware Roadmap 2025、Nature Physics 2024年二月刊、arxiv:2307.16394