美国低温超导量子计算机用什么材料

yes——主要材料是铝和铌的超导薄膜，再加上硅基衬底

---

为什么非得“低温”？

把温度降到接近绝对零度（约10-20 mK），金属才会失去全部电阻。没有热量噪声，量子比特（qubit）才能在“叠加态”里撑住足够长的相干时间。常温下的金属铜丝？一秒钟不到就会把量子信息烤成“经典热糊”。

“上帝掷骰子，但前提是骰子不能在油锅上滚。”——费曼在《量子电动力学讲义》里的戏谑，恰好解释了低温的意义。

美国Rigetti、IBM、Google都统一采用稀释制冷机，三级氦循环逐级降温，外形像一枚十吨重的倒置香槟塔。

---

超导材料的“三板斧”

1. 铝（Al）：便宜、易刻蚀、表面氧化层做天然绝缘壁垒；用于制造约瑟夫森结，那是量子比特的“开关”。
2. 铌（Nb）：临界磁场高，适合更复杂的电路；IBM 433比特芯片“Osprey”里几乎每一块谐振器都用铌布线。
3. 氮化钛（TiN）或钽（Ta）：新兴研究材料，能降低表面介质损耗，把相干时间从50微秒推到300微秒以上。

---

新手最纳闷：为什么用硅片却不用“真正的超导体”钇钡铜氧？

答案是工艺兼容性大于“炫酷”。YBCO虽然临界温度高，但晶格脆弱、表面粗糙，用光刻机一扫就碎。传统硅晶圆厂已经能把铝蒸镀到2纳米还不短路，迁移整条半导体产线比发明一套全新设备便宜得多。

Google Sycamore论文的附表里写得明明白白：“We chose Al/AlOx/Al junctions on silicon wafers for reproducibility.”

---

“量子计算机”冰箱到底长什么样？

我参观过IBM量子实验工厂，现场看到的稀释制冷机分五层：

• 室温层：工程师电脑、微波仪表，噪声更大。
• 70 K层：前置放大器，用高温超导带材Bi-2223降耗。
• 4 K层：超导磁体、脉冲管冷头，把氦气压成液体。
• 100 mK层：量子芯片“真身”所在，镀金铜板隔离一切电磁辐射。
• 更底混合室：氦三与氦四比例调得恰到好处，只剩0.01度，比外太空还冷。

---

个人实测：一张快递箱和一台制冷机的重量差距

把一颗谷歌72比特芯片寄回国，DHL按20克收费；但同批配套制冷机需要海运，包装木箱重达1.7吨。量子普及的之一道鸿沟不是软件，是物流。

---

三个新手必问的冷知识

1. 能放家里吗？除非你愿意把客厅改成配电房、每月电费两千美元，否则先别幻想桌面量子机。
2. 材料会跑光吗？不会。超低温下铝原子几乎零运动，比博物馆里的黄金面具还“长寿”。
3. 如果停电会怎样？芯片升温到一Kelvin就会秒变经典导体，量子数据全部蒸发，这就是为何各大实验室都有柴油发电机“战备值班”。

---

未来材料路线图：铌钛氮化物、二维材料、甚至拓扑超导

MIT团队在《Nature》刚发表的NbTiN nanowire方案，把临界温度拉高到16 K，虽然仍要制冷，但至少能把稀释机的体积砍半。二维材料党更野，他们想用魔角石墨烯做可调约瑟夫森结，如果实现，或许能把“量子机箱”缩到迷你冰箱那么大。

---

结语的小数字

2024年全球投入超导量子实验的高纯铝年用量不足3吨，只够造一座中型雕塑，却承载着整个赛博未来的算力希望。

“一切珍贵的东西，乍看都像笑话。但时间会把它炼成真金。”——村上春树，《舞！舞！舞！》