为当今量子计算机提供动力的量子比特有许多不同的形式。一些量子处理器使用光子量子比特，它们由光的单光子组成。其他的则基于捕获离子量子比特，它使用悬浮在电磁场中的带电原子来存储和处理信息。其中最成熟的架构是超导量子比特。这是一个今天在量子学界的许多人都认为是理所当然的事实，但对于20世纪90年代中后期在量子计算初期开展工作的研究人员来说，这可能是令人惊讶的。
图：IBM大约在 2017 年制造的四量子位超导量子处理器的插图。
超导量子比特是更广泛的模型家族的一部分，这些模型包括我们“固态”量子计算——不依赖运动部件的量子计算机，其结构大量借鉴了为固态经典计算开发的制造技术。25 年前，人们普遍认为超导量子比特和固态量子比特不过是白日梦。即使在研究人员在 1999 年发表了第一个超导量子比特的演示之后，量子社区中的一些人也花了数年时间争论新的量子比特机制并不构成真正的量子系统。
然而，从那时起，超导量子比特已经发展成为世界上许多最大的量子计算公司（包括 IBM、谷歌、微软等）使用的主要量子比特技术形式之一。要理解为什么会这样，我们需要更仔细地研究超导量子比特是如何工作的，以及它们与之前的量子比特的物理实现有什么不同。
超导性
在最基本的层面上，超导量子比特只是一个电路回路，电流在其周围流动。该电路由金属组成，当冷却到某个临界温度以下时，这些金属会变得超导——即能够在没有电阻的情况下传导电流。电流由“库珀对”组成，这是一种仅在这些超导材料中出现的特殊电子对。
根据超导体的标准 BCS 理论，超导性的发生是因为一旦超导材料达到其临界温度，通常电子之间的排斥力就会变得稍微有吸引力。这导致库珀对的形成，这些电子对能够自由地流过超导材料而不会发生散射。
超导性对于量子位来说是一个有价值的特性的一个原因是，当电流流过没有电阻的金属时，没有耗散。通过超导体的电流是无损的——至少在纸面上是这样——这意味着超导体不会将能量损失到环境中，这是构建量子比特的另一个有用特性。这一特性使我们能够建造电流流动时不会引起散热或发热的电路。
但更重要的是，我们的量子处理器中的超导电路是量子化的，这意味着它们遵循量子力学规则并且只呈现离散状态。然后，我们可以使用物理操作（例如应用微波脉冲或磁通量脉冲）来控制和测量这些量子比特的状态。由于正在进行的研究，我们现在能够通过阻抗等经典可模拟指标可靠地预测这些电路的量子特性。
为什么超导量子位与众不同？
超导量子比特可能是量子计算领域应用最广泛的量子比特模型之一，但它并不是最古老的。事实上，超导和其他固态量子比特模型直到20世纪90年代末最早的量子计算机建成多年后才首次亮相。最早的量子计算机包括捕获离子量子计算机和液态核磁共振 (NMR) 计算机，它们的量子比特与超导模型有很大不同。
捕获离子量子计算机可能更容易理解——离子被捕获在电磁场中，量子信息存储在这些离子的电子态中，激光诱导量子门。同时，在核磁共振量子计算机中，某些合成或天然存在的分子中原子核的自旋状态起到量子比特的作用。为了操作液态核磁共振计算机，研究人员将这些分子的大量集合悬浮在液体溶剂中，并通过施加外部磁场来操纵它们的核自旋状态。这种分子集成方法几乎不可能从 NMR 计算机中获取单个位串。相反，它们通常只输出位串的集合。
核磁共振模型是“分子”量子计算的一种形式，它与产生第一个超导量子比特的固态范式截然不同。分子量子计算机可以采用多种不同的形式，即使在今天，分子量子位也提供了一些优于固态替代品的关键优势。一个优点是，与固态量子比特不同，给定量子处理器中的分子量子比特总是相同的。另一个优势与量子位相干时间有关，这是量子计算硬件设计的主要挑战。因为它们与周围环境相对隔离，构成单个分子量子位的原子核享有一定程度的自然（尽管有限）保护，免受量子退相干的影响。
相比之下，超导量子位就不同了，因为它们是制造出来的。它们可能很小，但它们仍然足够大，以至于不可能在不产生从一个量子比特到下一个量子比特的情况下制造它们，这必须通过系统校准来解决。
然而，与分子模型相比，这些相同的制造过程也赋予了超导量子比特重要的优势。由于我们用于构建它们的许多制造技术早在第一台量子计算机建成之前就已经存在，并且经历了不断的改进，一些研究人员认为，超导量子比特将更容易大规模构建，并且它们最终将实现更精细的粒度计算操作。
同样，与分子量子位相比，超导量子位与其环境的强耦合可能会推动更快的退相干时间并需要额外的纠错，但这也使得用微波信号控制超导量子位变得更加容易。更重要的是，它们相对较短的退相干时间被量子逻辑门在超导系统中通常运行得更快的事实所抵消。
第一个超导量子比特
到 21 世纪初，研究界的许多人认为，像核磁共振量子计算中使用的那些液态量子比特，可能永远无法扩展到足以创建具有几十个以上量子比特的工作量子计算机。当时的研究人员发现，在不影响系统中其他量子比特的情况下解决单个核磁共振量子比特几乎是不可能的，这使得实现量子逻辑门变得困难。在计算过程中，他们也没有办法重新初始化单个量子比特，而这是实现有效纠错方案的重要步骤。
IBM 员工 David P. DiVincenzo在 2000 年发表的一篇论文中指出，除非这些挑战得到解决，否则“NMR 将永远不会成为量子计算的可扩展方案。” 事实证明，这个预测非常准确。NMR 量子计算机将继续在量子计算领域发挥重要作用——帮助研究人员开发我们今天仍在使用的有用控制技术。但是，NMR在21世纪初开始失宠，因为研究界对探索固态和捕获离子量子比特的潜力越来越感兴趣。
在那个时代的一篇论文中，牛津大学物理学教授 Jonathan A. Jones 评论说：“人们普遍认为，如果通用量子计算机得到广泛使用，它肯定会基于固态方法。” 在另一篇论文中，他指出，至少有一项关于固态量子计算机的提案“保留了 NMR 的许多优点，但也设法解决了一些最严重的困难。”
在此期间，超导量子比特等固态模型的提出引起了广泛关注。然而，即使在超导量子比特首次亮相后的几年里，至少量子社区的一些成员仍然怀疑该技术是否会发展到足以用于量子计算的程度。
在某种程度上，这是因为超导量子比特比分子量子比特大得多，在技术上是在宏观尺度上运行的。如果你足够仔细地观察我们今天拥有的许多超导量子处理器，你甚至可以用肉眼看到量子比特——不需要显微镜。到 1990 年代后期，有一些证据表明量子力学定律可以应用于宏观系统，例如显示穿过约瑟夫森结的量子隧穿的实验，这本身就是这种超导电路中存在量子化的证据。
1999 年春天，由物理学家 Yasunobu Nakamura 领导的日本研究小组发表了一篇论文，证明了第一个功能性超导量子比特，我们通常认为这是第一个超导量子比特实验的重大突破。他们的发明最终将被称为“电荷量子比特”，是许多超导量子比特设计中的第一个。
电荷量子比特本质上是一个量子 LC 电路——即由电感器（“L”）和电容器（“C”）这两种不同类型的能量存储设备组成的电路。电感器将能量存储在磁场中，而电容器将能量存储在电场中。
在下图所示的电荷量子比特电路图中，CC 代表电容器，EJE_J 代表约瑟夫森结——一种用作量子比特电感器的量子力学装置。（也可以使用约瑟夫森结而不使用专用电容器来构建电荷量子位）电压V0V_0 是量子比特的能量来源。连接电容器、约瑟夫森结和电压门的黑线代表构成电路本身的超导金属。
图：超导电荷量子位电路图。
要了解电荷量子位的工作原理，可以把电路分成两个区域。电路图左下方从电容器CC 的底板延伸到约瑟夫森结EJE_J 的小区域是超导“岛”。电路的其余部分，包括电压源，是一个超导“储层”。在电荷量子比特中，构成所有量子计算基础的零态和一态对应于岛区域的“电荷态”，即岛中是否存在过量的库珀对。因此，超导岛也被称为“单库珀对盒”。
为了让一组库珀对从电压门到达超导岛，它们必须首先隧道穿过约瑟夫森结，该结由夹在两层超导材料之间的一层非常薄的绝缘材料组成。值得注意的是，这种安排为约瑟夫森结提供了少量的自电容，从而可以构建一个由约瑟夫森结、电压门和没有专用电容器组成的电荷量子比特。
库珀对电子能够通过约瑟夫森结是因为“约瑟夫森效应”，这是一种以威尔士物理学家Brian D. Josephson命名的物理现象，他在 1962 年预测，在某些特定的条件下，电子对可以通过一个非置于两个超导体之间的超导材料。对电压的仔细调整可以控制该岛是处于零状态、一种状态还是两者的叠加态。
只能对这些状态进行编码，因为就像天然原子中的电子一样，在具有约瑟夫森结的超导电路中运行的库珀对具有离散的能级。这就是超导量子位通常被称为“人造原子”的原因之一。同时，约瑟夫森结在这方面至关重要，因为它们起到我们所说的非线性电感器的作用。
什么是非线性电感？如果有人试图用一个规则的线性电感器构建一个电荷量子比特，那么通过电感器的电压的任何变化都会产生电流的成比例变化。因此，量子比特的能级将是等距的，并且尝试对特定状态进行编码可以很容易地将量子比特推入对计算无用的能级（例如，两个状态）。
非线性电感使得电压的变化与电流的变化不成正比，因此能量水平的间隔不相等。因此，人们可以更容易地从几个能级中分离出两个作为零和一个状态，而不会将量子位推到另一个不希望的状态。这是使超导量子比特发挥作用的基本要素之一。
超导量子计算时代的开始
电荷量子比特的发明标志着量子计算历史上的巨大进步，开启了量子硬件设计新时代的大门。然而，回顾我们如何获得第一个电荷量子比特时，我们只讲述了超导量子比特更大故事中的一个非常重要的部分——而这个故事还远未结束。
正如人们所预料的那样，第一个超导量子比特的能力非常有限。在最早的超导量子比特设计中，大多数保持相干性的时间不到一纳秒（0.000000001 秒）。多年来，这一数字显著提高，相干时间接近整整1毫秒。这在很大程度上要归功于研究人员对退相干理解的进步，以及开发更复杂的微波工程方法、保护量子比特免受环境影响的新技术以及电路量子电动力学（一个致力于非线性超导电路相互作用的整个研究领域）的进步等等。
测量也被证明是一项重大挑战。早期的量子比特读出技术具有很强的破坏性。他们通常涉及将量子比特连接到超导量子干涉装置 (SQUID)，这是一种用于测量磁场的敏感工具，其使用会发送大量有害的准粒子，即破碎的库珀对，并通过系统传递热量。电路量子电动力学的出现不仅为量子计算产生了新的架构，而且还引入了非破坏性量子比特读出的可能性，几乎消除了量子比特附近的准粒子和热耗散。
在 Nakamura 论文发表后的几年里，研究界取得了许多其他进展，并创造出许多原始电荷量子比特的超导替代品，例如相位量子比特和通量量子比特。这项工作最终将导致transmon量子比特的发明，它已成为当今大部分量子计算行业的首选模型。事实上，我们可以用一个完全独立的博客来探索transmon量子比特的影响。transmon 模型改进了原始电荷量子比特的 Cooper 对盒设计，在电路中添加了一个大的并联电容器，保护量子比特免受电荷噪声的影响。
在我们能够实现真正有用的容错量子计算之前，我们还有许多技术高山需要攀登。在量子计算机中，量子计算机具有充分保护免受环境噪声影响的量子比特，以及能够实施有效纠错方案的电路。最近几个月，我们在量子纠错和错误缓解方面取得了令人印象深刻的进步，以及改进的处理器架构的扩散，这些架构显著减少了错误的发生。然而，还有很多工作要做，实现我们的目标需要大量量子研究人员和工程师的大量工作。
但随着该领域继续向前发展，回顾并了解我们已经取得了多大的进步是很重要的。在过去的二十年中，发明了许多曾经被认为不可能实现的技术，找到了许多长期以来被认为是难以解决的硬件工程问题的解决方案。虽然无法确定未来会发生什么，但这段历史让我们相信，我们将继续取得进步，并且我们将继续看到量子硬件令人难以置信的进步。
---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---
