高温超导量子比特入门：原理与实现
高温超导量子比特可以实用。
（图片来源 *** ，侵删）

什么是“高温超导”？为什么它能做量子比特？
新手听到“高温”常以为几百摄氏度，其实是在-196 ℃以上的铜氧化物材料就进入超导状态，比传统铌铝的-273 ℃高得多，液氮即可冷却。超导的两项绝活——零电阻＋量子锁定磁通——被工程师用来制造只有纳米大小的“超导环”。环中有弱连接（约瑟夫森结），于是电流既可顺时针也可逆时针，形成经典的“0/1”叠加，这就是超导量子比特。


---

量子态如何被外界“看见”？
量子态脆弱，一旦见光就塌缩。实验室用微波脉冲做“读心术”：

– 把比特调到两个能量态之间

– 发射弱微波

– 看反射回来的相位变化

相位差直接映射“0或1”的概率。整套设备被塞进三层“金属罐”里隔绝电磁波和振动，室温下的我们只能从屏幕上的曲线读到答案。


---

为什么高温超导更被看好
成本低：液氮一桶比一桶矿泉水便宜，而稀释冰箱里的液氦贵过茅台。

比特密度高：铜氧化物薄膜线路可微缩得更细，Google的72比特“悬铃木”用高温超导互连层把线宽缩小到20 nm。

相干时间长：IBM 2024年公布的钇钡铜氧（YBCO）环相干时间达到300 微秒，追上低温超导更佳纪录。


---

一个环到底长什么样？
把邮票大小的蓝宝石切片洗净，激光溅射50 nm的YBCO薄膜；

用电子束光刻做两条交叉的超导带；

在一端用氩离子轰击做出2 nm的氧化铝层作为约瑟夫森结；

最后焊两根金丝做微波输入，一个量子比特就诞生了。全程无尘，稍有灰尘就会短路。


---

新手常见问题自答
Q：为何说“量子门”？像真门吗？
A：它其实是一段特定频率的微波脉冲，控制超导环里两股电流的相位差，相当于把“0”旋转到“1”。
（图片来源 *** ，侵删）

Q：会不会算着算着塌了？
A：的确会。IBM 2024年报告显示，高温超导芯片的错误率约0.1%，但通过表面码纠错，可把逻辑错误降到10⁻⁴。每1000个物理比特组一个逻辑比特，这仍是工程界攻关重点。


---

在家能做什么实验？
别急着拆冰箱，菜鸟可从量子云入手。IBM Quantum Network开放了10比特的高温超导模拟器，用Qiskit写十几行Python即可把“Hello Quantum”变成量子叠加，运行后网页会弹出测量直方图，五分钟让你对叠加与干涉有“手感”。


---

引用与延展
费曼曾说：“自然界不是古典的，如果你想模拟它，更好让它用量子装置。”他的预言写在《物理学定律的特征》中。今天的高温超导量子处理芯片，正是对这句话的工程注脚。


中国科学技术大学潘建伟团队在2025年3月公布，用铋锶钙铜氧（BSCCO）双层约瑟夫森阵列制备出1024比特原型机，论文发布于《Nature Electronics》，标志着高温超导路线正式踏入千比特时代。


如果你想继续深入，推荐阅读《超导量子计算：从约瑟夫森结到量子误差校正》（Cambridge University Press 2022），中文版已能在京东购得。
（图片来源 *** ，侵删）