量子计算机为什么离不开超导体

没有超导体，量子比特难以维持量子叠加状态，量子计算就无从谈起。

什么是超导体？一分钟讲清

超导体在低于某温度时，电阻彻底消失，电流可以无限循环不损失能量。
1911 年，卡末林·昂内斯发现汞在 4.2 K 附近突然失去所有电阻。
简单记忆：超导体=“零电阻+磁场排斥”双重特性。

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超导体的两大特质对量子计算的意义

1. 零电阻冷却芯片：防止电流发热破坏量子叠加。
   
2. 约瑟夫森效应：两片超导体间插入薄绝缘层，电子会“隧道”穿过，形成可控的极弱电流，这就是量子比特的“心脏”。

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量子比特长什么样？把超导环路想象成硬币

在 IBM 或 Google 的超导量子芯片上，一条头发丝粗细的铝制环路就是一个超导量子比特。
如果硬币静止为|0>，翻面为|1>，而量子状态可以“正反面同时存在”。
要让这团“叠加态硬币”保持 100 微秒，环路就得处在接近绝对零度，否则热噪声会把“硬币”震落。

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没有超导体还能做量子机吗？三路人马给出的答案

1. 离子阱：用激光悬浮单个离子做量子比特，温度只需毫开尔文，但结构庞大。
   
2. 光量子：室温就能跑算法，可是把单光子牢牢拴在同一位置几乎不可能。
   
3. 硅自旋：把电子塞进硅量子点，可在液氦 4 K 环境下工作，但量子态只能保持几微秒。
   结论：超导体仍是目前唯一能兼顾“比特连得多、寿命长、可芯片化”的方案。

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超导体太贵？未来会降下来吗？

• 价格瓶颈：量子芯片使用的铝铌超导体原料本身很便宜，真正贵的是稀释制冷机，每台 30 万—100 万美元。
• 我的预测：根据剑桥大学 2024 年发布的路线图，到 2028 年模块化制冷机量产，冷却成本可下降 70%。届时一台 100 比特级别量子电脑价格将接近今天的核磁共振仪。

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超导体的下一步：走向“高温”与“拓扑”

1. 高温超导：若铜氧化物把临界温度提升到液氮区 77 K，芯片可以塞进常规冷库，人人有机会用。
   
2. 拓扑超导体：用 Majorana 粒子做量子比特，天然防出错。2012 年荷兰代尔夫特团队首次观测到迹象。
   引用狄拉克在《量子力学原理》中的话：“每一个物理过程的深层，总有一个美丽的数学结构。”拓扑超导正是这种美丽结构走进现实的例子。

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小白如何在家体验超导“味道”

• 线上模拟：IBM Quantum Composer 无需注册即可拖放约瑟夫森结构，直观看到量子门如何翻转相位。
  
• DIY 材料： *** 液氮、钇钡铜氧方块，演示磁场悬浮。注意安全佩戴隔热手套以及护目镜。
  
• 亲测：我在车库搭建的微型实验，曾让 5 克钇钡铜氧在液氮里悬浮 17 秒，足以让邻座初中生惊呼“原来超导是真的”。

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最后抛一个有趣问题

如果量子芯片最终离开超导体，那它会像莱特兄弟的飞行器一样，用木头翅膀先飞 12 秒，还是像智能手机，直接跳过电线，用光子和拓扑材料一步到位？答案或许藏在正在冷却室中闪烁的那一颗微小量子比特里。