当超导遇到量子（上）：双重buff叠加的快乐
来源： 中国科协、中科院携手“互联网 科普”平台，深耕科普内容创作 发布时间：2023-07-20
出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
近期，量子计算领域又取得了里程碑式的突破！来自谷歌公司量子人工智能的研究团队采用超导量子计算的方案，证明了可以通过增加量子比特的数目，来降低量子计算的错误率，从而验证了量子纠错的可行性。该研究成果发表在了国际顶尖科学期刊《nature》上，并且吸引了学术界和工业界的广泛关注。
在2019年，该团队就曾经在《nature》上以封面的形式发表了一篇极其重要的论文，他们利用超导量子计算方案首次实现了“量子优越性”。具体而言，该团队研发了一款具有53个超导量子比特的量子计算机，并且只用了200秒就成功求解了一个非常复杂的特定计算任务，而即使用当年世界排名第一的超级计算机也需要大约一万年才能完成，这显示出量子计算的巨大运算潜力。
对于大部分人来说，“超导”和“量子”是两个既熟悉又陌生的词，相信大家肯定有这样的疑惑——一次又一次带给人们惊喜的“超导量子计算”究竟是什么？这里的“超导量子计算”和超导有什么关系？和“量子计算”又有什么关系？既然量子计算机这么强大，为什么科学家还要想方设法来帮助它纠错？
那么接下来，笔者将用三篇文章，来为大家一一讲明这几个问题。
超导：我知道你知道，但你先别跳过
“超导量子计算”和超导有什么关系？这要从超导现象说起。
超导是一种非常有趣且重要的物理现象，它是指在低于某一临界温度时（通常在几十开尔文以下，即零下200摄氏度左右），材料可以无损地传输电流，从而表现出零电阻的特性。
传统的导电材料由于存在电阻，会使输电线路中的部分电能转化为热能，从而造成不可避免的电能损耗，并且导致巨大的能源浪费。利用超导材料制造输电线路可以极大降低输电损耗，从而提高能源利用效率。
超导体
（图片来源：veer图库）
除了零电阻特性，超导状态下的材料还有一个更加奇妙的特性，叫作完全抗磁性，又称迈斯纳效应。
具体而言，当一个处于超导状态的材料被放置在外界磁场中时，超导材料的内部就会产生一个等值、反向的磁场，这个磁场与外部磁场相互抵消，从而使得超导体内部始终保持总磁场为零的状态。这一性质使它们在许多应用中具有重要的价值，例如，工程上我们利用超导体的抗磁性设计出了磁悬浮列车。
超导抗磁性
（图片来源：wikipedia）
实际上，超导现象从1911年首次发现至今已经超过百年，科学家们一直在探索超导材料奇妙的物理特性，以及可能的实际应用。而自从上世纪60年代以来，随着集成电路工艺的不断发展，科学家们也在试图利用量子力学的基本原理来构造某些特定的电路，希望实现量子计算。
量子：你以为你知道的量子就是真的量子吗？
“遇事不决，量子力学。”这句话你有没有听说过？提到量子，有些人的脑子里就出现了诸如量子水杯、量子眼镜、量子鞋垫这类的产品。其实，它们和量子不能说一模一样，只能说毫不相干。
其实量子力学并不神秘，它是描述在微观世界中微小粒子运动规律的一种物理学理论。而为了让大家对量子力学有一个更加感性的认识，我们可以将其拆分成“量子”和“力学”两个词语进行解释。
其实，“量子”并非一种真实的粒子，而是能量的最小单位。这一概念的诞生由来已久，在19世纪末，随着物理学实验技术的不断进步，科学家们开始发现一些之前难以观测到的微观现象，而这些新奇的现象无法用旧有的物理理论来解释。
为了解释这些现象，科学家们尝试搭建一种全新的理论框架，来描述微观世界中微小粒子的相互作用关系。而在全新的理论框架中，科学家发现能量的变化不再是连续不断的，而是始终存在一个最小的能量单位，这种单位就被称为“量子”。
说到“力学”，想必大家对在中学物理课上学到的一句话记忆犹新——力是改变物体运动状态的原因。也就是说，“量子”加上“力学”其实就是描述微小粒子在微观世界中的运动规律。
当然，随着理论体系的不断完善，“量子”加上“力学”的理论还进一步涵盖微小粒子之间的相互作用以及微观物质的结构等。相传，最终将“量子”和“力学”合二为一，起名为“量子力学”的科学家，就是爱因斯坦本人！
因此，量子力学并不神秘，只是我们生活在宏观世界中，感受不到微观世界的变化。但是，出现在量子力学中的量子叠加态等概念，却开始实实在在地影响我们的生活。这不，量子计算就是一种利用量子力学的基本原理来实现计算的全新方式。
量子计算是我们生活中接触到的手机、电脑和计算器等，它们都属于只能处理0或者1态的经典计算机，其基本的运算单元被称为比特（bit）。而在量子计算中，信息可以被编码在0和1的叠加态上进行并行运算，而这种可以同时表示0态和1态的基本运算单元被称为量子比特（qubit）。
也就是说，量子计算正是凭借着能够同时编码0和1叠加态的量子比特，才可以拥有指数级的超级算力，从而在某些特定的计算问题上能够比经典计算机更快地完成任务。
在大众的印象中，“量子”总是带有一丝神秘的色彩，因为它往往与最新的科学进展或者科幻作品相联系，量子计算则代表着神秘的计算速度。而当我们熟悉的超导遇到神秘的量子计算时，又会迸发出怎样的火花呢？
是的，就是我们在文章开头提到的“超导量子计算”。
超导 量子计算=超导量子计算
在这里我们需要引入一些基本的电路知识，来方便大家更好地理解超导量子计算这一核心概念。举个例子，我们想象一个电路模型，整个电路的能量在经过量子力学的处理后，就会出现奇妙的现象。
电路的能量变化不能再是连续的，而是只能以一个最小的能量单位增加或者降低。
这是什么意思呢？就像我们生活中上下楼一样，在没有电梯之前，我们可以在楼道里面任意停留，比方说，我们既可以停靠在3楼或者4楼，也可以在3楼和4楼之间的楼梯间逗留，可以算作一种连续变化的过程。然而，当我们乘坐电梯时，我们只能在固定的楼层停留，而无法在3楼和4楼之间逗留，这种只能以最小间隔的单位进行变化的方式，就是量子力学中特有的“分立现象”。
（图片来源：veer图库）
也就是说，经过量子力学处理后，电路系统的系统能量只能处于某些特定的状态，而这种具有分立性质的能量状态有一个更加形象的名字——能级。
这种能级等距的特殊结构并不能直接用以实现量子计算。原因很简单，试想一下，我们只将整个电路系统最低的两个能级分别编码为0态和1态，并且通过某种方式实现两个能级之间的跃迁。
这时候，由于整个系统的能级间距是相等的，这种跃迁不仅仅会在0态和1态之间发生，还会在具有更高能量的能级之间发生。比如，在1态和2态，2态和3态之间发生跃迁。如此一来，我们只能在众多的能级之间进行无规律的跃迁，而无法构造出只编码0态和1态的量子比特。
这时，就需要超导材料出场了。
科学家们利用超导材料制造出一种神奇的电学结构，能够人为地破坏这种能级间距相等的方式，从而构造出可以稳定编码0态和1态的量子比特。
科学家发现，如果在两个超导体之间插入一层薄薄的绝缘层（厚度大约在1nm量级），从而构成“超导体—绝缘层—超导体”的“三明治”结构。这时候，电路系统的能量就不再线性变化了，能级越高，能级之间的间隔会越小，而这种特殊的三明治结构也被称为约瑟夫森结。
约瑟夫森结
（图片来源：作者自绘）
这样一来，由约瑟夫森结组成的超导电路就可以将能量最低的两个能级分别编码成为0态和1态，从而构造出稳定的超导量子比特。
目前，比较主流的是两种类型的超导量子比特，分别是：“磁通比特”和“transmon比特”。
（图片来源：veer图库）
其中，“磁通比特”由一个电感元件l和一个约瑟夫森结组成。此时，超导电路中就能够存在顺时针和逆时针两种不同的电流方向，它们代表系统不同的能量状态，因此可以分别编码成为量子比特的0态和1态。
而“transmon比特”则由一个电容元件c和一个约瑟夫森结组成。这时候，超导电路便会出现一个奇妙的现象——电路中的电荷可以在外界的调控下，出现不同的能量状态。因此，我们可以将能量较低的状态编码成为0态，而将激发到更高的能量状态编码成为1态，从而构造出类似的量子比特参与到运算中。
更加神奇的是，在温度低于超导材料的临界温度时，两端超导体中原先受到绝缘层阻碍的电子，竟然可以穿过中间的绝缘层，从而在两端的超导体之间建立起一种非线性的电流关系。
因此，超导量子计算是建立在超导现象的研究，以及量子计算的发展之上，它利用超导材料的特殊性质构造出一种非线性电学元件——约瑟夫森结，从而构造出可以稳定编码0态和1态的超导量子比特，并且最终实现具有超强算力的量子计算。
超导量子计算的方案受到学术界和工业届的广泛研究，这是因为，一方面它本身能够与现今的集成电路工艺相兼容，从而拥有极具规模化的潜力；另一方面，超导量子计算属于人为制造的量子体系，本身具有极大的可操纵性，可以满足不同类型的科学研究和实际需求。因此，超导量子计算的发展十分迅速，已经成为现今主流的量子计算方案之一。
结语
对于现今主流的量子计算机的实现方案而言，超导量子计算有着操纵性强和与现今集成电路工艺相兼容的优势。但其自身的超导量子比特极易受到外界噪声干扰，从而出现一系列错误。为什么拥有如此强大功能的量子计算机还会犯错？且听下回分解。
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