超导量子计算机如何运作

它和普通电脑差在哪？

日常电脑只能把信息切成0或1，超导量子把每个比特做成“0+1同时存在”的叠加态。一个50量子比特的芯片，一次就能模拟2的50次方种可能，这是传统机器算到宇宙毁灭也追不上的差距。

超导量子比特长什么样？

把铝薄膜在硅晶圆上蚀刻成微米级“工”字型，再放进10mK的极低温冰箱，电子就结成库珀对，变成零电阻的超导电路，这条电路就是约瑟夫森结。电流可以在顺时针和逆时针同时跑，这就是量子叠加的物理载体。

三种门决定算力水平

1. x轴旋转门：让量子态在两个基态间翻转，类似经典NOT；
2. z轴旋转门：只改相位不改概率，等于在球面上原地转身；
3. 受控非门(CZ)：两个比特绑在一起，目标比特要不要翻要看控制比特脸色，这就是纠缠的起点。

目前Google在自家的“悬铃木”上宣称已经能做到99.9%单比特门保真度，这是规模化前的硬指标。

读取时会塌缩怎么办？

量子态很娇气，任何光子或磁场都会让它“坍缩”成0或1，答案就报销。研究人员把读取腔做成谐振器，通过微弱微波脉冲“偷看”而不碰碎量子态。整个过程几微秒完成，IBM的公开数据表明一次成功读取率已超过94%。

实用化路上的两道坎

相干时间

目前更好的超导量子比特也只能维持约200微秒的相干。听起来短，但光速下足够跑出上千次门操作，只是工程误差会把寿命再缩短一半。解决路径是进一步降低冰箱温度，并优化金属沉积工艺，减少磁杂质。

量子纠错

物理学家说：“没有容错，就没有量子优势”。目前主流做法是表面码，把1个逻辑比特藏在19~49个物理比特里，牺牲数量换寿命。Google在2023年首次演示了距离为3的错误抑制趋势，硬件规模却一下子翻了5倍。

小白的冷启动路线

• 先装Qiskit：用Python写5行代码就能远程连IBM真机跑贝尔实验；
• 再看Nielsen & Chuang《量子计算与量子信息》，这本书被称作“量子圣经”；
• 参加量易台寒武纪开发者社区，每月都有线上workshop，0基础也能写噪声模型。

下一站：室温超导量子？

近期韩国团队宣称的“改性铅磷灰石”材料引发全球轰动，如果真能重现，并且约瑟夫森结能在-20℃就能工作，那么冰箱可以缩小到抽屉大小，量子计算就会像GPU一样塞进普通机房。只是实验尚在复现阶段，学术界普遍持观望态度。