量子计算超导方式为什么选约瑟夫森结

因为它能在宏观尺度下稳定地呈现量子叠加态，是目前制造可扩展量子比特的主流手段。

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超导量子计算到底在折腾什么？

很多人以为超导量子计算只是“把电路放进冰箱”，实际却是一次对量子力学边界的精准探测。 超导量子比特=人造原子，而制造这片“原子”的核心部件正是约瑟夫森结。 爱因斯坦把相对论称为“思想领域里最美丽的旋律”，我想补一句：约瑟夫森结就是量子工程中的 *** 中心。

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约瑟夫森结长什么样？

想象两片铝膜被一层头发十万分之一的氧化铝隔开，夹缝仅约1 nm。 正是这极窄的绝缘层让库珀对像幽灵一般穿越，产生无电阻电流，同时保留相位信息，形成宏观量子态。 > 借用《道德经》里一句“玄之又玄，众妙之门”，绝缘层就是那道“门”。

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为什么零电阻还不够？

普通超导体的零电阻只是经典节能手段，真正让量子计算可行的是相位量子化。 - 磁通量子化：环路中的磁通被锁定在整数个Φ₀（磁通量子），防止噪声漂移。 - 电荷量子化：单个库珀对数量严格可数，保证0/1态区分度。 这两点共同把“连续”的电磁场变成“离散步”，奠定了数字量子计算基础。

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三种主流超导量子比特路线对比

| 类型 | 信息储存维度 | 操控方式 | 抗噪策略 | 代表团队 | |---|---|---|---|---| | 电路量子电动力学 (tran *** on) | 电荷差 | 微波脉冲 | 增加电容使能级差平坦 | IBM、Google | | 相位量子比特 | 相位差 | 磁通偏置 | 调整约瑟夫森能量比值 | D-Wave | | 磁通量子比特 (fluxonium) | 环流方向 | 磁场脉冲 | 采用大电感抑制电荷噪声 | MIT、耶鲁 |

个人观点：tran *** on 是目前“傻瓜机”阶段最适合菜鸟模仿的模型，因为能级图简洁，微波参数好调。

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怎样把约瑟夫森结放进稀释制冷机？

一台稀释制冷机≈四层俄罗斯套娃，最里层只有8 mK，接近宇宙微波背景温度的万分之一。 工艺上把芯片安装在镀金铜盒里，用铟丝压缩密封确保热接触；再用超导同轴线传递微波，杜绝热传导。 新手常犯错误：忘记在芯片背面蒸镀金层，20 nm的膜厚即可将表面红外辐射降低95%。

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读出量子态的笨办法与巧办法

笨办法：把量子态“翻译”成电荷，然后用超高灵敏度电荷计读取——噪声大得让你怀疑人生。 巧办法：色散读出，让量子比特耦合到共振腔，通过腔频移动来反映量子态；仅需 nW 级微波功率。 IBM 2023 年在 Nature Electronics 报告：色散读出保真度 99.85%，写入功耗 6 nJ，直接奠定云端量子机商用可能。

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噪音从哪来？如何“关门打狗”

噪声来源排座次：材料缺陷 > 电磁干扰 > 1/f 电荷噪声 > 准粒子隧穿。 应对清单：

表面钝化：用氟化硅封装铝表面，抑制表面介电损耗。

准粒子陷阱：在芯片边缘加铝吸收器，像水渠排洪一样把高能准粒子导出。

磁屏蔽：μ-合金罩层叠三层，可把实验室地磁降到1 μT以下。

我在北京一个超净间里做过对比：加了表面钝化后，T₁时间从5 μs长到28 μs，相当于把比特的“寿命”翻五倍。

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个人心得：别急着跑，先把路走稳

很多人问我“超导量子计算什么时候可以跑深度学习？” 我反问他：“你能不能在 77 K 下把 1000 个器件的良率稳定在 85%？” 硬件瓶颈没被攻克之前，谈算法革命都是空中楼阁。 把约瑟夫森结做成艺术品，才是通往通用量子计算机的门票。 > 托尔斯泰在《战争与和平》里写：“历史的车轮缓慢，却碾过所有短视者。”量子时代亦然。

引用来源： IBM Research Blog 2023-06-12
Devoret & Schoelkopf, “Superconducting Circuits for Quantum Information”, Science 2013