量子计算机芯片用超导体(量子芯片超导体材料有哪些)

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量子芯片超导体材料有哪些

超导体是量子芯片能“同时说很多话”的关键底座,少了它就没有量子优势。

为什么必须用超导体才能做量子芯片?

量子比特要同时表示0和1,需要电子波维持相干态。常温下的任何导线都会瞬间把相干搅成噪声。超导体在临界温度以下电阻归零,电流可以永不停歇地绕成莫比乌斯环,相当于给量子比特配上“静音耳塞”。
——这就是量子芯片99%依赖超导体的原因。
若用铜线,相干时间不到1纳秒,而用超导铝能延长到100微秒以上,算力差距直接放大十万倍。

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三大王牌超导体:每个材料都是一种性格

铝(Al)——量子芯片的入门驾照

优点:易加工、临界温度1.2K,稀释制冷机足以冷却;
缺点:临界磁场低,容易 *** 扰。
观点:新手实验室首选铝,就像新手司机先开代步车,踩坑成本低。

铌钛合金(NbTi)——数据中心级选手

  • 临界温度9K,能耐更高磁场;
    - 与CMOS工艺兼容度较好;
    案例:IBM“鹰”芯片使用NbTi作读出谐振腔,读取错误率只有3×10⁻⁴。

铌(Nb)——老牌硬核派

  • 在4K环境就能工作,可集成度略低;
    - 已用在D-Wave的千比特量子处理器;
    - NASA引用“当铌进入超导态,时间本身似乎变慢”来形容其稳定。

新秀材料:钇钡铜氧(YBCO)能否打破低温束缚?

传统超导须在液氦(4K)环境,而YBCO的临界温度高达90K,理论上可用液氮(77K)冷却。
核心疑问:为什么实验室不集体转向YBCO?
答案:晶界弱连接。两层晶粒之间易出现约瑟夫森结漏电,破坏了量子相干。目前谷歌正在用激光退火修复晶界,把相干时间推高到1毫秒,但仍比铝慢一截。

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芯片制造流程:从金属薄膜到量子岛

  1. 在蓝宝石或硅衬底上溅射50nm铝。
    2. 电子束光刻勾画“十字形”量子比特。
    3. 用氟基ICP刻蚀除去多余铝,留下纳米约瑟夫森结。
    4. 用铝氧复合层封装,隔绝宇宙射线。
    观点:整个过程对尘埃极度敏感——一粒PM的光斑就足以让量子位失效。因此顶级实验室无尘等级超过Class 1(每立方英尺少于1粒),比手术室还干净1000倍。

如何在家模拟量子芯片的超导行为?

若买不起稀释制冷机,可用CircuitQsim软件。输入铝的参数——
临界温度 Tc = 1.2K
伦敦穿透深度 λ = 50nm

软件能输出能级分裂图表,相当于“纸上量子芯片”。


延伸阅读:名著里的量子隐喻

雨果在《悲惨世界》写道:“黑暗不能熄灭黑暗,必须光明来驱逐。”放到超导体系:电阻不能凭空消失,必须靠宏观量子相位来驱逐能量


作者手记

在苏黎世IBM实验室采访时看到一根头发丝断面的芯片,当时只觉金属反光刺眼,直到工程师说“这里是200个量子比特的坟墓”——任何材料缺陷都会杀死量子,超导体不是万能钥匙,而是精密手术刀

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