IBM量子计算机是超低温超导吗

是的，IBM目前商用的量子计算机均采用基于超导量子比特的方案，必须在接近绝对零度的超低温环境下运行。

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为何非“冻”不可？——温度的极限意义

• 量子态极其脆弱
  当温度低于20 mK（毫开尔文，比外太空还冷250倍），超导线材进入零电阻状态，电流可形成稳定的超导环路，从而诞生量子比特所需的双态叠加。
• 降噪，比降噪耳机更极致
  热噪声在室温时像摇滚演唱会，到了20 mK只剩耳语。IBM把芯片塞进稀释制冷机的“洋葱壳”里，七层磁屏蔽+红外滤光器层层守卫，把噪声“捂”到微伏级别。

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超导量子比特长什么样？

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    │ 铝交叉 |   ← 100 μm宽
    │ 约瑟夫森结│ ← 1 nm氧化层
    └--------┘

• 约瑟夫森结就是“量子开关”，用两片铝夹着一层几乎无厚度的氧化铝。它能让电子对隧穿，实现0与1的叠加。
• IBM Eagle 127比特芯片上，每一颗“叉叉”都是一个能说话的二进制“原子”。

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降温流程全记录

1. 室温→40 K：脉冲管制冷机把氦气压缩膨胀，30分钟降到四十开；
2. 40 K→4 K：氦-4蒸发带走热量，“哗哗”冒泡；
3. 4 K→0.8 K：氦-3开始登场，像抽水机抽走动能；
4. 0.8 K→20 mK：混合室中，氦三/氦四分层，上冷下暖，最后一丝热量被“吸干”。

整个过程需要5~7小时。“之一次做降温时，我跟它一起守在实验室，听制冷机像鲸歌一样轰隆轰隆，一宿失眠。”——作者注。

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新手最焦虑的五个Q&A

问：把量子芯片冻得像冰块，不担心冰晶吗？
答：制冷机内部真空度十亿分之一大气压，别说水汽，连空气分子都稀若晨星。

问：超导量子机会不会有一天告别冰箱？
答：短期内不会。拓扑量子比特能在较高温工作，可微软Azure的实验表明，哪怕只升到1 K，退相干时间都折损90%。
引用《三体》一句话：“弱小和无知不是生存的障碍，傲慢才是。”降低温度仍是当前最诚实的解法。

问：普通服务器房能装吗？
答：一台稀释制冷机直径1.5 m，高2.8 m，重2吨，地桩得打进地下1.2 m抗震，还需要液氦缓冲罐。多数企业把量子机托管在IBM云而非自建。

问：运行一天电费几何？
答：制冷功率25 kW、加上经典控制电子共40 kW，折合24小时耗电960度，大概500元/天，与中型数据中心持平。

问：超导VS离子阱、光量子，谁更好？
答：目前IBM、Google押注超导，在于CMOS工艺兼容、门速快；离子阱比特质量高却门速慢；光量子则难做双比特门。三足鼎立，没有终极答案，赛道仍在并跑。

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给入门者的三条可行路径

• 在线实验：登录IBM Quantum Experience，免费运行5比特线路，实测Rabi振荡；
• 本地模拟：用Qiskit Aer包，把自己电脑风扇开到更大，模仿那阵“制冷机音效”；
• 读之一手论文：Nature 2023 Vol.614，IBM团队展示了127比特纠错里程碑，错误率从1×10⁻²降至3×10⁻⁴，证明深度超低温路线可行。

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未来五年预测

• 若低温CMOS+光互连成熟，单芯片有望突破1000比特；
• 稀释制冷机或演化出3 K冷头+亚开尔文磁制冷两级方案，缩减50%体积；
• IBM内部数据显示，2028年每量子比特平均功耗将由100 mW降至10 mW，让超算中心更愿“并柜”部署。

引用《道德经》：“大方无隅，大器晚成。”超低温超导今天看似笨重，却可能是通向大规模容错量子的唯一“晚成”之路。