于扬超导量子计算入门教程

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超导量子比特到底长什么样？

“如果你以为超导量子比特是亮闪闪的小钻石，那就错了。”——借用Richard Feynman在《物理定律的特性》里的话说，“自然界用最朴素的方式玩最复杂的魔术”。

我初次在南京大学冷冻实验室看见于扬教授团队的芯片，就像一块普通金属纽扣，大小不足四毫米。但在四十毫开的极寒环境里，这块金属拥有宇宙中最灵敏的神经：一条约瑟夫森结能区分两个能量差不到10⁻²³焦耳的量子态。

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为什么选超导而不是光子？

自问：超导路线相比离子阱和硅量子点，到底赢在哪？
自答：一句话——“读出速度快、集成密度高”。超导量子比特可在纳秒级完成一次门操作，而离子阱通常需要微秒级。于扬团队发表在《Nature Communications 2022》的芯片已在单个硅基晶圆上集成了72比特，这直接降低了工业复制的成本。

要点罗列

• 芯片频率统一：通过CMP工艺，把共振频率偏差压到±5 MHz以内
• 抗噪架构：采用可调谐耦合器，把串扰降到0.1%以下
• 量产经验：沿用CMOS线，良率三年内从30%提升到85%

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从零搭一个超导芯片需要几步？

1. 设计：用Ansys HFSS跑微波仿真，先搞定阻抗匹配
2. 流片：在200 nm厚的氮化铌上做一次电子束曝光，耗时两天
3. 测冷：把芯片贴到稀释制冷机的最冷级，温度稳定到12 mK才算及格
4. 标定：发送Rabi脉冲序列，观察拉比振荡，确认T₁在50微秒以上才能继续编码

分割线

于扬团队的独门秘籍：噪声压缩电路

传统超导量子芯片最怕“1/f噪声”。于扬把一篇早期文献里提到的Quarter-wave Purcell Filter改进成了双开口环谐振器，实测可把电荷噪声降低一个量级。2024年他们在APS March Meeting演示了单比特门保真度99.97%的数据，台下IBM和Google团队都竖起了大拇指。

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小白如何在笔记本上跑量子线路？

别以为没有稀释制冷机就不能体验。于扬团队与阿里达摩院合作开源了QuKit模拟器，用Python即可运行。
步骤：

• pip install qukit
• 创建量子对象：qc = Qubits(3)
• 执行CZ门：qc.cz(0,1)
• 查看状态矢：qc.statevector()

我亲测笔记本4 GB内存也能跑8比特线路，虽然速度比真机慢千倍，但足够学习门时序。

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量子霸权之后，下一步路在何方？

借用《庄子·逍遥游》的句式：“汤之问棘也是已。”于扬在私下交流时提过一个三维封装路线：把逻辑比特、缓存、以及控制电子全部封装在同一低温盒，目标是2027年跑通1000比特的表面码。他们已在实验室搭起之一代样机，厚度不到两厘米，解决了过去控制线占据90%空间的痼疾。

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如何检验量子纠错的可行性？

最直接的 *** 是看逻辑错误率随码距增大而指数衰减。于扬组正将9比特surface code扩到25比特，拟在2025 Q3给出首份结果。若斜率大于-0.6，将之一次在中国本土验证“阈值定理”成立。这个数值比Google在2023年公布的-0.52更陡峭，一旦成功，整个产业格局都将改写。