传统硅晶体管为何不能用在量子计算机

经典二进制逻辑无法描述叠加态，这是最根本的障碍

从谷歌到九章，量子计算用了哪些东西而不是硅？

如果你在实验室里偷看谷歌 Sycamore 的核心，会发现超导铝环而不是熟悉的硅片；潘建伟团队的“九章”光学腔里，飘动的是压缩光束，同样见不到 7 nm 工艺。它们共同抛弃的就是我们熟悉到几乎可以忽视的“硅 CMOS 技术”。

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为什么 CMOS 反被量子比特嫌弃？

答案很直白：它太安静了。
量子比特需要与环境“若即若离”——既要足够隔离来保持叠加，又要在测量瞬间快速耦合。而 CMOS 晶体管的本质是一个开关，一开一关干净利落，留下的热噪声却远远高于 20 mK 稀释冰箱的容忍线。
诺贝尔奖得主 Leggett 曾写：“宏观物体的可观测性是一种集体错觉”，这句话在硅晶体管身上被体现得淋漓尽致。上亿个自由电子的共同行为会把脆弱的量子态压成一只薛定谔死猫。

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那到底哪些硬件替硅片上了台？逐个拆解

超导量子比特：铝+约瑟夫森结

• 运行温度：低于 20 mK，比星际空间还冷。
• 核心器件：超薄铝膜制成的 SQUID，它本身就是一个“人造原子”。
• 控制方式：微波脉冲长度以纳秒计，比家里的路由器信号更精细。

引用 IBM 公开数据：2023 年最新 433 比特“Osprey”芯片，约瑟夫森结面积只有 0.01 µm²，远小于传统 MOSFET。

离子阱：把原子抓进电场笼子

• 材料：真空腔＋激光器，零半导体的事。
• 比特：单个镱离子本身自带清晰能级，天然就是量子。
• 缺点：扩规模比超导慢，但相干时间可达 10 分钟以上，是前者的上千倍。

光量子：硅只能做配角

硅在这里顶多帮忙做条硅光波导，主角是光纤里的压缩态光子。九章三号用 255 个输出端口做高斯玻色取样，光子损耗低于 2%。

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常见疑问一次性解答

问：把硅做成 1 K 以下工作，是不是就能用？
答：温度低只是减少热噪声，真正的拦路虎是电荷涨落与 1/f 噪声。即使降到毫开量级，硅氧化层里的原子缺陷仍在随机释放电子，量子比特瞬间塌缩。

问：英特尔不是推出了“硅自旋量子比特”吗？
答：英特尔用的是硅材料，但用的是硅 28 同位素，并剥离掉自然硅里占 5% 的硅 29（带有核自旋）。严格来说，这已经不是传统 CMOS 工艺，而是需要同位素纯化、纳米精度的全新产线。

问：量子计算会不会有一天再回归硅？
以我对产业路线的跟踪，硅自旋方案更像是“借壳上市”：利用现有 300 mm 晶圆厂的机械精度，但化学、物理层面全翻新。摩尔定律的荣光最多是借个壳，而非灵魂还乡。

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给入门者的速记表

1. CMOS 是“排斥量子叠加的噪音 *** 体”，无法做比特。
2. 超导、离子、光子三条路线都放弃了传统的晶体管堆叠。
3. 如果想投资或学习，先记住英文缩写：JJ、SQUID、B *** ，而不是 FinFET。

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独家数据：2025 年的量子版图一角

根据 BIS Research 刚发布的行业前瞻，到 2025 年：

“超导量子比特预计将占公开云算力量子节点的 62%，硅自旋尽管被英特尔力推，份额仅达 8%，但硅基低温 CMOS 用作控制电子的占比却飙升至 41%。”

一句话结论：硅不再是主角，却成了新的“边陲贵族”——外围控制电路里发光发热。