超导量子计算机到底怎么算

答案是使用约瑟夫森结形成的超导量子比特，通过微波脉冲精确控制量子态叠加与纠缠，再用量子门电路完成信息处理，最后测量读出结果。

超导量子计算之一步：量子比特怎么“造”

超导量子比特的核心材料是铝或铌制成的约瑟夫森结，夹在两层超导氧化物之间，厚度只有几个原子。

• 约瑟夫森结的临界电流可低至几十纳安，极易被微弱磁场影响，因此必须把芯片放在接近绝对零度的稀释制冷机里，大约10 mK。
• 比特用两种编码方式：
  1. 电荷比特(电荷量量子化)；
  2. tran *** on比特(降低电荷敏感度，延长相干时间)。
     我亲手看过北京量子信息科学研究院的稀释制冷机，那台长得像三层同心银桶的设备一旦启动，整个实验室只剩心跳声，安静得像福楼拜笔下包法利夫人午后的花园。

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微波脉冲=量子世界的“键盘”

新手常问：为什么超导线路里会出现0与1的“叠加”？
答案藏在微波脉冲频率。

• 把5-6 GHz的脉冲打进去，相当于在能量基态与之一激发态之间搭一座“梯子”，比特就能同时待在两档台阶上。
• 通过调节IQ混频器的相位与幅度，就能精准控制“梯子”的角度，这叫“任意单量子门”。

实验桌上那台信号发生器就像《红楼梦》里妙玉烹茶用的绿玉斗，细节决定成败。哪怕微波幅度偏差千分之一，最终读出可能就变成噪声。

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量子纠缠不是魔法：两个比特如何“手拉手”

怎么让两个超导比特产生纠缠？

• 把它们做成可调耦合器，中间插一个量子谐振器做“红娘”。
• 把A比特激发到|1>，让谐振器把能量短暂传递给B比特，再调频率让能量留在B，这时A与B就形成了Bell态：
  |Φ>=(|00>+|11>)/√2。

谷歌2021年在Nature发文指出，72比特的Sycamore利用这一 *** 在200秒里完成了经典超级计算机需一万年的任务。虽然“量子霸权”的争议仍在，但这个数据至少证实了耦合器路线的可行性。

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错误率为何比经典芯片还高？

超导量子门的平均错误率约10^-3，而7 nm硅晶体管< 10^-15。差距主要来自：

• 退相干：电荷噪声、磁通噪声；
• 控制线串扰：每根微波线都像《三体》里智子留下的尾巴；
• 热涨落：稀释制冷机更底层温度也会有10 μK的摆动。

量子纠错方案是表面码。用9个物理比特藏1个逻辑比特，读出后通过Syndrome测量实时修正。目前谷歌已能在1维链路上做到99.94%保真度的逻辑CNOT。

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实验室到云端：新手如何在线跑量子电路

没有经费买液氦？IBM Quantum Experience把超导芯片搬到了云端。

三步试跑一次GHZ态准备：

1. 打开composer界面，拖拽H门→CX门→测量；
2. 选择ibmq_manila后端, 该芯片5个tran *** on，相干时间约100 μs；
3. 等2分钟，拿到8192次采样结果，预期 |000>+|111> 的峰位清晰出现误差< 2%。

这就像《悲惨世界》里雨果形容塞纳河畔的蒸汽船，“机器看似冷峻，却给人触手可及的自由”。

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未来三年最可能的突破点

• fluxonium比特：把电感增大几百倍，预计相干时间> 1 ms，中国科大团队在PRR论文中指出；
• 低温CMOS控制器：把室温信号源全部搬进10 mK，减少70%线路损耗；
• 模块化量子芯片：通过超导同轴电缆连接多个10×10比特阵列，解决“量子拼乐高”式扩展难题。

如果这些路线按时落地，2028年左右将出现10000物理比特/1000逻辑比特的云端平台。到那时，今天还在读科普的你我，也许就能亲手调出一个可以破解RSA的Shor电路。