建造量子计算机：一次一个脆弱的量子比特
2026 年 8 月 19 日 · Quanta Magazine
几乎所有现代计算机——从洗碗机里的廉价单片机到给 AI 系统算数的高科技硬件——都依赖同一技术的变体：刻着微观晶体管结构的硅片。含晶体管的电路能在标记为「0」和「1」的两种状态间快速可靠地切换，从而存储和操作比特——信息的基本单位。
量子计算机有潜力以超越 0 和 1 的全新更强大方式处理信息，解决对经典计算机来说太难的问题。但造出强大到足以兑现承诺的机器仍是艰巨挑战。量子计算还没有迎来它的「晶体管时刻」，研究者仍在探索多种不同的量子硬件路线。
各条路线的首要区别在于用什么物理系统充当量子比特（qubit）——量子计算机的基本构件。与存储经典比特的电路不同，量子比特能展现叠加与纠缠等奇异现象，赋予它们额外的计算能力。但这些量子效应极其脆弱，容易被量子比特与环境之间的杂散互动破坏。每种候选技术都在调和两个难以兼得的性质：量子比特必须与外界干扰隔离，又要便于研究者操控。
一些研究者押注于原子等天然量子系统。用单个原子作量子比特，首先要把它隔离并捕获在真空腔中，这有两条不同路径：囚禁离子路线敲掉每个原子的一个电子，得到可被电场固定的带正电离子；中性原子路线用紧密聚焦的激光束阵列（光镊）捕获中性原子。
另一派走超导量子计算路线，设计人造量子比特：借用经典芯片的微加工工艺，把铝、铌等金属做成微小电路，冷却到极低温后进入超导态。装在称为稀释制冷机的低温系统里，这些超导电路就能充当量子比特。此外还有电子自旋、光子乃至更奇异的量子系统等候选。
从小型原型扩展到更大的系统，是所有路线面临的最大挑战之一。做出几个好量子比特远远不够：即使按最乐观估计，最终也需要至少数万个，甚至数百万个。更多量子比特还意味着更庞大复杂的控制与测量系统。虽然现在断言哪条技术路线胜出为时尚早，以下影像让我们得以一瞥建造可靠量子计算机所需的雄心努力。
- 牛津大学囚禁离子实验室（2017）：真空腔中悬浮的单个锶离子。针状与刀刃状钢电极产生的电场把它约束在针尖之间 2 毫米区域的中心。离子之所以可见，是因为它持续吸收激光光子、再发射光子以释放多余能量。这种相对笨重的「刀刃阱」常用于学院实验室在少量量子比特上测试新技术。
- 规模化需要更紧凑的「表面阱」：离子悬浮于芯片上方，由芯片表面的细金电极产生的电场约束。NIST 2021 年论文的这款表面阱集成了光子探测器（芯片中央的小黑点），用于测量充当量子比特的铍离子状态。
- 中性原子量子计算机需要多套激光系统来移动、捕获、测量和操控原子。哈佛大学中性原子实验室的光学台上，遍布用于路由、分束和稳定激光的反射镜、透镜、光纤与探测器。
- 中性原子量子计算机的心脏是玻璃真空腔，原子在其中被光镊阵列捕获。量子计算初创公司 QuEra 的这个真空腔周围环绕着线圈，让研究者精确控制捕获区的磁场。
- 光镊阵列的妙处：重排原子、让任意两个量子比特相遇轻而易举。2018 年巴黎-萨克雷大学的团队展示了这种能力——把原子排成许多惊艳的三维形状，其中一个仿照埃菲尔铁塔。
- 2025 年，加州理工团队在直径 1 毫米的光镊阵列中捕获了创纪录的 6100 个可单独操控的铯原子，并证明这些原子编码的量子比特具有长相干时间——量子计算的前提。但他们没有做任何计算；用于运行量子算法的最大量子比特数纪录仍远低于此。
- 超导量子比特的配方大量借鉴经典芯片工艺：在无瑕硅盘上叠层金属等材料制成量子比特，再切割成独立芯片。制造在无尘室进行（如纽约州奥尔巴尼的这间）以防尘埃污染。图中芯片出自 IBM 代号 Nighthawk 的设计：每片承载 120 个量子比特及控制它们相互作用的超导电路。
- UCSB 2010 年代初设计的芯片展示了超导量子比特的设计：边长 6 毫米，承载四个超导量子比特（绿黄区域中央的金色方块）。每个量子比特配一条蜿蜒的超导带——谐振器，作为存储量子信息的记忆体。量子比特通过芯片中央更长的锯齿状谐振器相互作用。外部连接输送微波脉冲进行控制与测量。
- 枝形吊灯般的稀释制冷机或许是量子计算基础设施最抢眼的例子。左上的「Badger」被耶鲁研究者用于 2009 年一项有影响力的演示——在两个超导量子比特上运行简单量子算法。右侧管道系统循环氦同位素混合物制冷。运行时，承载量子比特的芯片锚定在最下层铜板上，整个系统包裹在嵌套的圆柱屏蔽层中以阻挡热辐射、提供真空隔热。
- 下方的 Google Quantum AI 现代稀释制冷机展示了扩展超导系统的工程难题：需要大量线缆控制单个量子比特、调谐其相互作用，线缆弯成 S 形以缓解降温时的冷缩应力。量子计算技术进展迅速，但前路仍长。