量子计算机的技术路线—第二部分 超导量子计算机
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发布时间：2024-10-12 11:15
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时间：2024-10-20 18:04
超导量子计算的核心基于超导性这一宏观量子现象，它要求在低温和低磁场的环境下运行。库珀对的神奇诞生，遵循BCS理论的解释，它们在超导体内的无阻力循环，为量子比特的相干性提供了理想的环境。然而，退相干问题如影随形，威胁着信息的持久保持，但库珀对的特性恰好能帮助减缓这个问题。
约瑟夫森结，这个超导量子比特的灵魂部件，通过绝缘层的神奇隧穿，实现了量子比特的精细操控。大多数超导量子比特的设计都离不开约瑟夫森结构，它通过改变电路耦合，实现了低频且几乎无损的信息传输。
量子振荡器与LC电路的结合，催生了超导量子版本的量子谐振器，电感器和电容器的巧妙组合使得能量量子化且分布非等距。约瑟夫森结的非线性电感则像魔术师的手杖，创造出正弦势阱，为超导量子比特提供了构建基础。
超导量子比特有三种主要类型：电荷量子比特（CPB，通过库珀对数量控制）、通量量子比特（SQUID环路，由磁通和电流共同塑造）、以及相位量子比特（大电流偏置约瑟夫森结，相位调整如丝般流畅）。尽管相位量子比特有其独特优势，但电流波动的干扰不容忽视，如美国国家科学技术研究所正在进行的实验研究。
谷歌和IBM各自有其独特策略，Google使用transmons电荷量子比特，通过调整约瑟夫森能量与电荷能量的比例来降低电荷噪声的影响，而IBM则在Eagle和Osprey量子计算机上不断突破，追求量子比特的品质而非数量的单纯增加。
Google的Sycamore量子处理器见证了量子计算的转折点，通过实现量子纠错的里程碑，展示了量子霸权的潜力。Rigetti则计划推出336量子比特的处理器Lyra，利用芯片间的纠缠技术，预示着更大规模量子计算的未来。衡量这些进步的关键指标包括双量子比特门的保真度、系统的可扩展性和门操作时间。
然而，超导量子芯片面临的应用挑战不容忽视，包括如何扩展纠缠控制到大量量子比特、降低物理成本、追求低功耗技术，以及提升软件工具的效能。麻省理工学院的研究通过六方氮化硼实现了量子比特的微型化和减少相互干扰，而阿里巴巴实验室的fluxonium量子处理器则探索了制造“人造原子”的可能性，以提高计算精度。
量子计算的未来正由一篇篇论文描绘，如《2021年NAS报告》和C. Neill等人的工作，概述了超导量子优越性的宏伟蓝图。从单电子晶体管到电路量子电动力学，再到超导电路设计，量子猫态实验的突破，全球市场的发展、材料的进步和量子计算机技术的革新，共同书写着量子计算的传奇篇章。
综上所述，超导量子计算凭借其高性能的量子比特和超导材料的优势，正在不断刷新技术边界，尽管挑战重重，但其前景光明，预示着未来量子计算的无限可能。【引用论文】
