为什么超导体成了量子比特的“香饽饽”

我在博客里常收到一条留言：“量子芯片到底用什么材料做出来的？”答案是——超导体，最常见的是铝和铌。原因只有一句话：它们在接近绝对零度时电阻消失，电流可以无耗散地循环，这恰好解决了量子比特（qubit）最怕的“能量泄露”问题。

量子信息像极了一位睡不踏实的婴儿，一丁点风吹草动都会惊醒。超导体环境则好比给婴儿搭了一个隔音更好的卧室，让它整夜安眠。于是IBM、谷歌、阿里巴巴达摩院的实验室里，低温超导腔体成了“标配”。

三条入门门槛，新手最容易卡在哪

1. 极低温到底“冷”到什么程度

液氦稀释制冷机把温度降到10 mK左右，相当于月球背面还要再冷一万倍。为了维持这一天文数字的低温，需要连续运行昂贵的氦循环器。

2. 超导量子比特长什么样

它其实就是微米级铝膜雕刻出的LC振荡电路，电容和电感被集成在一个芯片上，看起来像一片金属蜘蛛网。这片“蜘蛛网”在极低温下呈现量子化，能储存一个离散的微波光子。

3. 读出信号为什么这么弱

读出过程类似于用一根“量子天线”捕捉那个单光子的状态。由于信息量仅为一比特，却要对抗热噪声、辐射噪声、甚至地磁涨落，必须用超导量子干涉仪（SQUID）放大到常规电子学可以识别的级别。

小白常问的4个核心问题，一次讲透

Q1：超导量子位和传统比特更大区别？

传统比特非零即一；超导量子位可以同时处于零和一的叠加，还能让两个比特“纠缠”。就像《量子力学史话》里写的：“同一粒骰子同时出现六点和一点，直到你翻开盒子才决定。”

Q2：超导体会不会出现停电导致“退相干”？

理论上不会，因为超导体电阻为零。但制冷机断氦，温度回升，铝立刻失去超导性，量子位瞬间退相干。所以实验室会采用双路供电+不间断液氦罐，并每两小时巡检一次。

Q3：目前最强的超导量子计算机有多少量子位？

截至2025年春季，谷歌发布的“Sycamore Gen3”达到512量子位，比三年前翻倍。该数据来自谷歌Research官方博文。

Q4：普通人能买到超导量子芯片吗？

不能。芯片必须和整套稀释制冷机打包，售价不低于200万美元。不过亚马逊Braket云平台开放了远程调用512量子位的权限，按分钟计费。

三步搭建之一个超导量子实验

1. 申请云端账号——在Braket或腾讯量子实验室注册学生身份，可获20美元体验券。
2. 编写量子线路——用OpenQA *** 脚本画出一个“Hadamard门 + CNOT门”的纠缠态。
3. 提交任务到超导后端——选择backend="arn:aws:braket:us-west-1::device/qpu/rigetti/Aspen-M-3"，等待约30分钟回收1000次采样结果。

我之一次跑通这条链路时，兴奋到手抖：屏幕上的概率直方图显示出贝尔态标志性的50%/50%分布，证明一对超导量子位真的纠缠了。

超导体的未来：三幅可能的路线图

• 材料方向：从铝、铌扩展到NbTiN薄膜，把工作温度提升到>4 K，兼容更廉价液氦4制冷。
• 架构方向：引入模块耦合，即把数个100位芯片光耦相连，解决片上布线瓶颈。
• 纠错方向：将表面码所需的物理比特数从1000:1压缩到100:1，使百万位“容错机”在2030年后成为可能。

正如《庄子·逍遥游》所云：“其大可为舟，其小可为樽”。超导量子芯片正在变小、变暖、变便宜，最终会让每个学校都有机会拥有自己的一台“微观宇宙”计算机。