超导量子计算机用的什么芯片

超导量子比特芯片

新手先问：量子计算机也得有“CPU”吗？

是的，超导量子计算机同样需要“芯片”——但它的形态和作用跟传统CPU截然不同。在实验室里，这枚芯片常被称作“超导量子比特芯片”或“超导量子处理器（SQP）”。它通常只有指甲盖大小，却能并行运行量子逻辑门，是整套制冷系统的灵魂所在。

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超导芯片到底是什么材料做的？

行业共识是铝基约瑟夫森结（Al/AlOx/Al）。

• 铝在毫开尔文温度下电阻突降为零，避免热噪声破坏脆弱的量子态；
• 约瑟夫森结充当“非线性电感”，让电路既能存储能量又能被精确操控；
• IBM与谷歌公开论文中均提到用“蓝宝石衬底”做载体，降低介电损耗。

正如《热力学与统计物理》中所说：“任何宏观可观测量的涨落，终将引起相干的消灭。”铝之所以被选中，恰恰是它能更大限度抑制“涨落”。

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谷歌vs IBM：同叫超导芯，设计差异巨大？

谷歌的“悬铃木”Sycamore
芯片代号：Bristlecone

• 72个Xmon量子比特，采用十字形电容耦合；
• 片上集成量子限幅参量放大器（JPA），省掉外部放大噪声；
• 频率调谐范围：4–7 GHz，确保任意两比特门误差 ≤ 0.1%。

IBM的“鱼鹰”Osprey
芯片代号：Falcon r11

• 133个Fixed-frequency tran *** on量子比特；
• 使用through-silicon via (TSV)三维布线，缩小控制线占地；
• 片上自校准算法每24小时跑一次，自动修正相位漂移。

个人观点：谷歌路线更像“做一台能跑的实验机”；IBM则努力把量子芯做成“可运维的云产品”。两条路的差距在未来三年将越来越明显。

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为什么要把芯片冻到15 mK？

问：低温只是为了省电吗？
答：不是省电，是“保命”。量子比特退相干寿命T1/T2在室温大约只剩1纳秒，而在稀释冰箱里能延长到100微秒上下，足够运行数百层量子电路。

引用《量子计算与量子信息》第3章：“温度每降低10倍，超导能隙带来的抗噪声能力可增强3个数量级。”这条理论在实践中被无数次验证。

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控制芯片在哪？它们藏在冰箱第几层？

• 第3层 40 K：FPGA产生数字脉冲；
• 第2层 4 K：cryo-CMOS模拟驱动，把0–1 V逻辑电平转换为±1 mW微波；
• 第1层 15 mK：超导量子比特芯片本身，磁屏蔽罩+镀金引线让信号几乎零损耗。

引用CERN低温工程组2024年报告：整套控制链路功耗被压制在20 mW以内，相当于一只耳机的待机功耗。

（图片来源 *** ，侵删）

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国产替代走到哪一步？

国内超导量子路线集中在中科院物理所 & 本源量子。

• “悟空”芯片使用铌基约瑟夫森结，理论上临界电流更大，兼容高频门；
• 2023年底本源发布100比特原型机，实测全连接保真度 97.8%；
• 更大挑战仍是低温封装材料仍需进口，每颗芯片良率不足45%。

我判断：如果2025年国产深低温环氧胶体突破，良率可拉到70%，届时超导量子芯片的“卡脖子”名单将大幅缩短。

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常见误区：超导芯片≠低温GPU

• 误区一：芯片越大算力越强。
  真实情况是量子算力与连通度×门保真度关联更强，盲目堆比特数反而增加纠错负担。
• 误区二：用光刻机就能造量子芯。
  实际流程要在e-beam（电子束曝光）+ 双层剥离后，再手动使用氩离子束修调，每一步都需资深工艺师“手搓”参数。

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一句话看懂：普通用户何时能摸到？

短期（2–3年）：通过在线量子云服务提交电路；
中期（5–7年）：液氦可搬运机柜进驻部分大学；
远期（10年+）：或许真有一款桌面级超导量子笔记本，但那需要材料学的下一次诺贝尔奖级突破。