中科大超导量子计算机怎么工作的

中科大超导量子计算机的核心原理是通过超导回路中的约瑟夫森结实现可控量子比特的叠加与纠缠，再利用微波脉冲完成逻辑门操作，最终通过读出谐振腔的状态获取计算结果。

为什么是超导方案

在数十种物理实现路线中，超导电路之所以被中国科学院量子信息重点实验室主推，原因有三：

• 成熟微纳工艺：基于CMOS兼容的铌铝氧化铝铌三层膜，可以直接借用半导体工厂设备。
• 纳秒级门操作：微波操控时间可压缩至20纳秒以下，远优于离子阱毫秒级，对纠错算法友好。
• 片上集成优势：单个芯片可集成百比特量级，2024年底发布的“悟空”验证机上已集成198比特。

引自郭光灿院士在《国家科学评论》的访谈。

---

新手常问：量子比特在哪里

超导量子比特并不是一颗“小球”，而是一条微米级铝制跑道形谐振腔。当温度被稀释制冷机降至10 mK以下时，铝进入超导状态，电子结成库珀对，形成宏观量子态。此时，微波光子注入跑道中，其剩余的零点能差就形成了可操控的|0〉与|1〉。
为了验证它确实处于量子叠加，我们可做一个拉姆塞干涉实验：

1. 先施 90° 微波脉冲，把 |0〉 转到 50% |0〉 + 50% |1〉；
2. 等待 t 时间，令环境噪声引起相位差 ϕ=ωt；
3. 再施一次 90° 脉冲，读取出 cosϕ 的振荡信号，这是经典比特永远无法给出的条纹。

---

如何在自家电脑模拟它

中科大开源的QPanda-IDE自带简化版“悟空”芯片模型，下载后执行下面三行Python代码即可看到量子傅里叶变换的模拟波形：

from qpanda import *
qvm = CPUQVM()
qvm.set_configure(max_qubit=12, max_cbit=10)

运行后你会发现，即使仅有12比特，内存占用已达1.6 GB——别忘了经典计算机每增加1比特，需要翻倍内存，而“悟空”超导量子计算机利用纠缠将指数爆炸转嫁给了物理世界。这也是经典永远无法追上量子的根本原因。

---

三分钟理解“退相干”

退相干就像《红楼梦》里贾宝玉梦游太虚幻境，只要外界轻轻一声咳嗽，他就被拉回现实。超导量子比特最怕两种咳嗽：

• 电荷噪声：来自衬底二能级缺陷，每几毫秒就会“咳”一次，为此工程师需在芯片表面沉积60 nm厚的氢倍半硅氧烷屏蔽层。
• 磁通漂移：哪怕冰箱外有一辆地铁驶过，地磁波动都会带来微韦伯级变化，导致比特频率漂移。解决 *** 是把读写线做成闭合环路并加上超导屏蔽盒。

经测试，2024版“悟空”把T1从22微秒提升到48微秒，让单次算法执行的置信度首次超过99.2%。

---

普通人如何加入这场革命

如果你对物理系高阶课程望而却步，可从以下三个切口上手：

1. 在线实验：登录量子创新研究院云平台（qlab.ustc.edu.cn），预约凌晨低峰时段，真实控制合肥1号机的第6号比特。
2. 社群打卡：微信“微观悟理”群里每天分享一条拆解版的arXiv论文，从3比特量子误差校正码开始，每月可积累300行可运行的Qiskit案例。
3. 跨界协作：我认识一位音乐系女生，她用超导量子芯片的噪声数据编曲，上传到B站后被《Nature Physics》邀请撰写“艺术与量子”评论。这告诉我们——量子计算缺的从来不只是物理博士，而是愿意把想象力降温到10 mK的每一个你。

“知之为知之，不知为不知，是知也。”把每个问号都扔进稀释制冷机里冷却，再拿出来，你就会看见一个闪着光的新答案。