量子计算机为什么要用超导体

能制造出近乎零电阻的电路

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超导体的“魔力”到底是什么？

普通人一听到“超导”，脑海里常浮现“冰箱”“液态氦”的画面，可它与计算有什么关系呢？
我认为关键在于两条物理法则：
1. 零电阻带来的低耗散
2. 量子隧穿效应带来的超导量子比特（tran *** on & fluxonium）
没有电阻，电子就能在同一量子态协同“共舞”，这正是量子比特能长时间保持叠加态的秘诀。借用《天工开物》的“因势利导”来形容——超导材料让电路本身“顺势而为”，而非人为对抗热量。

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量子计算为什么非要低温？

问：量子比特为什么像娇贵的多肉植物？
答：因为退相干。
在室温下，原子抖动速度高达每秒几公里，再精妙的叠加态也会被“晃”成经典比特。超导体冷却到10mK以下后，抖动减到亚微米级别，量子信息就能“安静”存在上百微秒，这在算法眼里足够跑完一次Shor分解。

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主流超导量子芯片长什么样？

结构示意

1. 基片：蓝宝石或硅
2. 量子比特：约瑟夫森结＋超导铝薄膜
3. 读出腔体：微波谐振器
4. 控制线：共面波导

谷歌Sycamore芯片在显微镜下就像一座微型立交桥，每一条“桥”都是一根超导铝线，肉眼看似光滑，实则纳米级缺陷都可能导致退相干。芯片实验室通常贴一条小标语：“Don’t touch my qubit!”——这是《哈利波特》式的咒语，也是科研人员的真实写照。

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超导体之外真的没有替代者？

有人问我：硅量子点、离子阱、光量子行不？
个人结论：
• 硅量子点 可与CMOS产线兼容，但读取速度拖后腿
• 离子阱 保真度高，却很难集成到百万量级
• 光量子 室温稳定，受限于单光子探测效率
因此，近五年商业融资的70%仍流向超导方案（Crunchbase）。正如《孙子兵法》所言，“先为不可胜，以待敌之可胜”，资本押注的不是完美材料，而是在现有约束下最“可胜”的路径。

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给新手准备的三条硬核阅读清单

1. IBM Quantum Experience 实战手册（免费中文镜像）
2. 《超导量子计算导论》—清华大学朱邦芬院士章节选
3. Arxiv.org 每周检索关键词：superconducting qubit noise & calibration

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一个实验：在家看见“超导指纹”

材料：钇钡铜氧高温超导片、液氮、万用表
步骤：

1. 液氮倒入泡沫箱（务必戴护目镜）
2. 用铜夹把待测片和万用表接入闭路
3. 室温下电阻约为2 Ω，冷却到-196℃后突降<0.01 Ω
   那一刻，你会听见万用表蜂鸣器清脆一声，“嘀——”，就像《三体》中“水滴”撞击舰队的瞬间安静。

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2025年值得关注的三件小事

• 谷歌将开放24量子比特的量子虚拟机，无需稀释制冷机即可远程调试电路
• 欧盟启动“SuperFab”计划，目标在300mm晶圆上量产超导量子芯片
• 中国大陆某地方计量院发布首个“量子温标”，实现10mK以下温度的可溯源测定

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引用资料：
Feynman R., “There’s Plenty of Room at the Bottom”, 1959.
Nielsen M. & Chuang I., Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge UP, 2020.