超导量子计算：在极低温下实现量子比特操控的关键技术

创作时间:

2025-01-21 17:40:26

作者:

@小白创作中心

超导量子计算：在极低温下实现量子比特操控的关键技术

量子计算是当前科技领域最前沿的研究方向之一，而超导量子计算则是实现量子计算的重要途径。本文将深入探讨超导量子计算的基本原理、技术实现以及研究现状，带您一窥这一前沿科技的奥秘。

什么是超导量子计算？

超导量子计算是利用超导电子电路来实现量子计算的一种方式。与传统的经典计算不同，量子计算基于量子力学原理，能够实现更强大的计算能力。在超导量子计算中，量子比特（qubit）是信息的基本单位，它可以同时处于多个状态的叠加态，从而实现并行计算。

目前，多家知名科技公司都在积极研究超导量子计算技术，包括谷歌、IBM、英特尔等。截至2016年5月，研究人员已经在一维阵列中实现了多达9个完全可控的量子比特，在二维架构中则实现了多达16个。2019年10月，谷歌与Martinis小组合作，首次证明了量子优越性，使用了一个包含53个超导量子比特的芯片。而D-Wave系统公司的商业产品中，更是集成了超过两千个超导量子比特，虽然这些量子比特实现的是量子退火，而不是通用量子计算模型。

超导量子计算的背景原理

经典的计算模型依赖于符合经典力学定律的物理实现。然而，经典描述只对有大量原子的特定系统准确，而对自然界更普遍的描述是由量子力学给出的。量子计算研究的是量子现象的应用，这些现象超出了经典近似的范围，用于信息处理和通信。存在各种量子计算的模型，然而最流行的模型包含了量子比特和量子门的概念。量子比特是比特的概括--一个有两种可能状态的系统，它可以处于两种状态的量子叠加中。量子门是逻辑门的概括：它描述了一个或多个量子比特在给定其初始状态后，在门上所经历的转变。量子比特和门的物理实现是困难的，原因与量子现象在日常生活中难以观察到的原因相同。一种方法是在超导体中实现量子计算机，在超导体中，量子效应变得宏观，尽管代价是极低的操作温度。在超导体中，基本的电荷载体是一对电子（称为库珀对），而不是普通导体中的单个电子。库珀对的总自旋是一个整数，因此库珀对是玻色子（而正常导体中的单个电子是费米子）。与冷却的费米子相反，冷却的玻色子被允许占据一个单一的量子能级，这种效应被称为玻色-爱因斯坦凝聚体。在经典的解释中，它相当于多个粒子在空间中占据相同的位置，并具有相等的动量，有效地表现为一个单一的粒子。在超导电子电路（即电元素网络）的每一点上，描述电荷流的凝结物波函数是由一个特定的复杂概率振幅明确定义的。在正常的导体电路中，对于单个电荷载流子来说，同样的量子描述是真实的，然而各种波函数在宏观分析中被平均化了，使得我们无法观察到量子效应。凝结物波函数允许设计和测量宏观的量子效应。例如，只有离散数量的磁通量子穿透超导环，类似于玻尔模型中的离散原子能级。

在这两种情况下，量化都是复数振幅连续性的结果。与用于实现量子计算机的微观量子系统（如原子或光子）不同，超导电路的参数可以通过设置组成它们的电元素的（经典）值来设计，例如调整电容或电感。为了获得一个电路的量子力学描述，需要几个步骤。首先，所有的电元素都用凝结波函数的振幅和相位来描述，而不是用经典电路所使用的密切相关的宏观电流和电压描述。例如，空间中某一点的波函数振幅的平方是在那里发现电荷载体的概率，因此，振幅的平方对应于经典电荷分布。其次，广义基尔霍夫电路定律被应用于电路网络的每个节点，以获得运动方程。最后，运动方程被重新表述为拉格朗日力学，并得出量子哈密尔顿。