量子计算一定要超导吗

量子计算不一定非要依赖超导，但超导是目前最成熟、最主流的实现物理系统之一。

超导为何成了量子计算的“香饽饽”？

超导电路之所以受到全球实验室的追捧，核心原因在于约瑟夫森结所带来的两大魔法：
    • 无损耗电流：超导体电阻为零，能长时间保持量子态；
    • 可控非线性：外加电压就能精准地开关二能级系统，相当于量子的“晶体管”。

正如费曼在《物理学讲义》中提到的：“任何足够新颖的设备，都必须先从能控制的基本元件开始。”超导量子比特恰好扮演了这样一枚元件。

---

还有哪些路径可以绕开超导？

1. 离子阱：让原子当比特

离子阱把单个带电原子囚禁在电磁场里，用激光操控原子内部的能级。它的门保真度已经做到%，但体积与功耗大得惊人——需要整间房的真空与激光阵列。对实验室友好，对消费电子不友好。

2. 光量子：光纤里的超算梦

用光子的偏振或时间编码信息，天生抗电磁干扰。谷歌2023年的“九章”原型机就用144模式干涉仪做了玻色取样，但光子损耗仍是瓶颈。若未来能把硅基集成光源做进芯片，或许能打破尺寸魔咒。

3. 硅自旋：蹭半导体供应链

把电子或原子核的自旋塞进硅量子点，可以复用CMOS工艺。英特尔的Horse Ridge II控制芯片就建在硅基上。缺点是相干时间短—仅几毫秒；优点是成本可与现有晶圆厂分摊。

---

三大主流方案的直观对比

技术路线	相干时间	门保真度	硬件复杂度
超导	100 微秒	99.9%	中等：制冷机+微波线
离子阱	1 分钟	99.99%	很高：激光塔+真空罐
硅自旋	1 毫秒	99%	较低：兼容半导体厂

---

未来五年，谁能率先突破 1000 个逻辑比特？

我押注“混合架构”：用超导做耦合总线，把硅自旋当存储节点。Google、IBM与初创公司Equal1均已在实验这种思路。理由如下：

    • 超导总线高速，可瞬时跨芯片传递量子态；
    • 硅节点密度高，每平方毫米可塞下数十万比特；
    • 通过低温CMOS电子学，可把经典控制器封装进冰箱，摆脱机房级微波。

---

新手怎么选研究方向？

自问自答带你过一遍：

Q：我本科做半导体器件，该切到超导吗？

A：不必。硅自旋与超导工艺越来越像，先做室温材料生长、射频测量，这些技能平移到稀释冰箱就能用。

Q：物理专业没电子背景，会不会被淘汰？

A：恰恰相反，量子纠错的数学结构比硬件更新快，学好李群、拓扑码，比拧螺丝更保值。

Q：量子计算会不会又是一场泡沫？

A：历史告诉我们：任何新技术在达到可盈利的边界前，都会伴随资本狂欢。超导电缆和MRI已让低温产业活了40年；哪怕通用量子机迟到，量子传感也会先商业化。

---

我的一次参观手记

去年冬末，我走进中科院物理所超导量子实验室，看到一整面墙的稀释冰箱与密如蛛网的半硬质同轴线。工程师告诉我，每台冰箱光电缆的铜就要60公斤。那一刻我意识到：超导量子计算不仅是物理学，更是一场材料与工艺的极致较劲。借用《红楼梦》里的一句话：“世事洞明皆学问。”洞明之处，正是在这些看不见的电阻、相位、电感之间。