量子计算超导光子原理详解

超导量子比特由约瑟夫森结和超导腔耦合实现0与1的叠加

小白最想知道：到底什么是“超导量子计算”

很多人之一次看到“超导量子比特”这六个字就被劝退。其实拆开来读就明白：超导=把金属冷却到接近绝对零度，让它一点电阻都没有；量子比特=用两个可叠加的物理状态做信息载体。把两者放在一起，超导电流绕着一个微小回路顺时针=0，逆时针=1，同时又允许顺逆并存，这就是量子叠加的魔法。

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光子怎么掺和到超导里？三种常见链路

• 光子读出：超导共振腔在7GHz左右震荡，里面飞出几个微波光子，通过同轴线传到外面，被室温的放大器接收。光子数量直接告诉我们量子比特此刻的状态。
• 光子耦合：在芯片上做一条1厘米长的超导“光波导”，让两个比特之间通过交换微波光子来互动，像隔空握手。
• 光子中继：量子比特怕冷，但光子能在300K与20mK之间传递而不被“烫伤”。于是让光子做中间搬运工，把低温区的量子信息快递到室温区的检测设备，避免热噪声污染。

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物理学家怎么制造约瑟夫森结？一块铝片就行

材料其实不神秘，就是两块铝蒸发在蓝宝石片上，中间留下一个2nm的间隙。在氧化炉里呆45秒，间隙变成薄薄的氧化铝，电流就能以“量子隧穿”的方式穿过去，形成约瑟夫森结。整个芯片仅毫米级，却决定了量子寿命是否够长。

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实测：量子叠加究竟能维持多久？

实验室里把芯片推到10mK，关掉外场，只留量子涨落。2024年MIT团队发布的Tran *** on qubit T1（能量弛豫时间）已逼近500μs，“500微秒”相当于一枚硬币旋转500万次才被地球引力扳倒。换句话说，量子叠加状态在这段时间里足够完成上千个计算步骤，而传统超导只能做几十次电子开关。

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为什么要用“光子”而不是“电子”直接传递信息？

问：电子不是更直接吗？
答：电子带电，移动时会把晶格加热，产生退相干。而光子不带电荷，在超导腔内以电磁场形式存在，几乎不消耗能量、不掉相位。于是科学家让超导量子比特“发出光子”而非“踢出电子”，就像用口哨传话，而不是扔石子——声音快且不伤人。

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把量子芯片放大百万倍会看见什么？

想象在低温室里把芯片放大到足球场那么大，你能看到一条条蜿蜒的超导“跑道”，跑道边上“站立”着一个一个约瑟夫森结。当量子比特处于叠加态时，这条跑道上会浮现出一层淡蓝色的微波驻波，它随时间摇摆，仿佛海面上的月光，直到一次测量坍缩为一个确定方向。

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量子纠错的下一个坎：光子损耗

光子也有“寿命”。每次它们从芯片飞到放大器，大约1%被吸收。要让纠错的逻辑比特存活100微秒，物理比特的损耗率必须低于1E-4。目前IBM用“3D超导腔”把光子锁在体积更大的铝盒里，飞行损耗降到0.5%，相当于把快递包装从纸袋升级为钛合金盒。

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给小白的一句话速记公式

超导腔+约瑟夫森=可调节的能量阶梯；光子=信息快递员；低损耗=量子计算的氧气
只要记住这句话，哪怕走进任何量子实验室，你都大概知道工程师在忙活什么。