量子计算机一定要用超导材料吗

超导与量子比特的“量子”邂逅

之一次看到“超导+量子计算机”这个词组，我脑海里蹦出的不是学术论文，而是冰箱里的冰晶——零电阻与零温。超导材料的神奇之处，是在绝对零度附近电阻突然消失，电流可以长期流转而不损耗。物理学家理查德·费曼曾打趣：电子在这里排成整齐“合唱团”，每一个动作都像舞蹈，所以量子叠加才不被环境“围观”。

量子比特（qubit）最怕退相干，好比刚写好的铅笔字马上被橡皮抹去。超导电路通过极低温封印热噪，再配合约瑟夫森结这一“量子闸门”实现0和1的叠加，从而让量子算法得以运行。

超导量子机是怎么“搭积木”的？

1. 基片：蓝宝石或高阻硅——像钢琴的音板，决定声音纯净度。
2. 约瑟夫森结：两块超导铝夹着一层超薄氧化铝，厚度只有头发丝的一百万分之一，却能让库珀对“穿隧”自如。
3. 谐振腔：读出与操控qubit的“麦克风+遥控器”，通常用共面波导管实现。
4. 稀释制冷机：层层镀金冷盘，更底层温度≈15 mK，比外太空还冷270倍。

除了超导，量子计算还有哪些“门派”？

我在IBM量子 *** 年会上听到一句调侃：“每一个qubit都像猫，超导是暹罗，离子阱是英短，光学是波斯。”

为何超导暂时领跑？

2024年谷歌在《Nature》报告中展示127量子比特“垂柳”芯片，仅用5分钟完成经典超算47年的采样任务。背后的秘密是：

• 微纳加工：借助光刻机刻出奈米级电容器，制造精度逼近英特尔芯片。
• 量子纠错：表面码实验把错误率压到0.1%，相当于每下1000步棋才悔棋一次。
• 生态扶持：IBM Qiskit、阿里Paddle Quantum、百度量易衡提供了“积木+说明书”，让文科生也能在浏览器里拖拽量子门。

初学者最想知道的三问三答

1. 零下一百多度，岂不是天天加液氦？
答：家用冰箱大小的稀释制冷机，用氦-3/氦-4混合液，一周补一次即可，实验室常把设备租时间，而非买回家。

2. 超导量子机会不会永远“低温依赖”？
答：高温超导（铜氧或铁硒）如果能制出高质量约瑟夫森结，有望把冷盘提升到20 K左右，仍低于室温，但可以脱离笨重的稀释制冷。

3. 我该选哪种技术自学？
答：超导路线资料最多、开源体验最友好，从Qiskit官方实例跑一个贝尔实验，再决定是否深入原子物理或光学实验。

未来十年值得下注的三件“小工具”

• 片上光子互联：用光脉冲替代同轴线缆，冰箱内部布线简化五倍，实验室噪声随之减半。
• 新型二维材料约瑟夫森结：石墨烯/三层MoTe₂异质结已演示室温近邻超导迹象，若可工程化，将直接颠覆制冷瓶颈。
• 量子-经典协同处理器：英特尔计划在2027年交付单晶圆10000量子比特+1000万晶体管的混合芯片，把量子计算嵌入现有服务器。

我的私藏书单与课程

《原子中的幽灵》（中英对照版）——即使完全没学过物理，也能通过对话式章节理解叠加与测量。
IBM Quantum Composer交互教程——浏览器拖动量子门即可实时看到布洛赫球翻转。
北京大学《量子材料与器件》公开课——吕力教授用“孙悟空筋斗云”类比库珀对无阻力飞行，印象深刻。

如果2025年真的出现室温超导量子芯片，我会之一时间拆开外壳拍照，发到博客对比十年前的冷冻机巨兽——那会像从蒸汽机飞跃到iPhone。