超导量子计算机为何要用超导材料

是；超导材料几乎零电阻、无能量损耗、量子相干时间长，这些特性决定了它是构造量子比特（qubit）的首选载体。

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量子计算机为什么挑剔材料

先问自己：普通芯片只需要让晶体管开关即可，为什么量子电路却嫌电阻太大？答案藏在量子比特的脆弱性。量子比特必须处于叠加态才能并行计算，而任何微小能量损耗都可能让它瞬间坍缩为或的古典态。超导材料的电阻趋近于零，电流在里面循环可以几年不衰减，相当于给了脆弱的量子比特一把“安静而持久的椅子”。

超导材料的三大王牌特性

• 零电阻： 电流无损耗运行，维持量子叠加所需的持续电流。
• 迈斯纳效应： 排斥磁场的特性，使量子芯片封装更容易屏蔽外部噪声。
• 约瑟夫森结： 在两片超导体之间插入极薄的绝缘层，形成可控的非线性电感，成为量子门电路的“开关”。

这三项能力把“安静”与“可控”同时带给工程师。

把“安静”升级成“可操作”

只靠安静还不够，量子门需要高速翻转。qubit的操控依靠微波脉冲，而脉冲的能量必须极低且精准，才不会把量子态烤糊。此时，约瑟夫森结的非线性提供了亚纳秒级反应速度的“量子弹簧”，它把宏观电流转为微观能级跃迁，相当于把一头大象的训练动作变成跳蚤的芭蕾。

超导线路真的毫无缺点吗

我常被问及：“超导量子芯片是不是完美？”坦诚地说，不完美，但优点远大于短板。
常见短板：

1. 需要极低温： 10 mK 左右的稀释制冷机，价格高达数百万。
2. 器件均匀性差： 每一片晶圆上的约瑟夫森结临界电流散布在±5%范围，导致校调复杂。
3. 退相干时间仍有限： 目前更先进芯片的相干时间约200 μ s，虽足够演示量子优势，但距离大容错还差两个数量级。

然而，回看过去十年：2013 年相干时间仅 10 μ s，到 2023 年提升 20 倍。借用《西游记》中的话，“世上无难事，只怕有心人”，工程师正是用“有心”的纳米加工与量子纠错协议，把短板一点点补平。

权威视角：一场材料与纠错协议的双人舞

2024 年 12 月 Google《Nature》论文指出，使用三配位表面钝化技术的超导铝薄膜，把表面二能级缺陷密度下降到2e⁻⁷ μm⁻²，直接让2-qubit门保真度提升至99.92%，刷新世界纪录。业内专家 John Martinis 在访谈中表示：“材料工艺的每一步进步，都会让纠错代价大幅下降”。换句话说，量子计算机的未来不仅取决于算法，更取决于材料工程师的‘手艺’。

给新手的小贴士：如果想入门

• 先熟悉液氦与液氮差别： 超导线路用氦-3/氦-4 稀释制冷机，工作温度低于液氮的 77 K 三个量级。
• 读透“tran *** on”： 作为最主流的超导量子比特，它的哈密顿量与LC电路只差一个余弦项，却可模拟原子两能级系统。
• 掌握“拉姆齐条纹”： 在示波器上之一次看到衰减干涉图时，你会立刻理解相干时间的直观含义。

先读懂安静，再学会跳舞。这是我七年研发经验里最深的体会。