为什么超导芯片必须“冻”起来

量子比特的叠加状态在室温下只能维持皮秒量级，而稀释制冷机把温度拉到15 mK以下，可以把相干时间延长到百微秒级。这里的冷却并不是冰箱概念里的“降温”，而是抽走几乎全部的分子热运动。

超导量子比特三种主流长相

1. 电荷量子比特：一个铝制超导小“岛”通过约瑟夫森结与外部连通，像一个电子孤岛上的独木桥，岛上电子数量在0与1之间振荡。
2. 磁通量子比特：一个超导环中故意嵌入几个约瑟夫森结，环内顺时针或逆时针循环的电流代表0和1，像是一条微型跑道。
3. 相位量子比特：利用超导电极间相位差来编码，外形像一对互相“凝视”的超导天线。

芯片内部的立体高速公路

很多人以为量子芯片就是一层金属，其实它是三维异质集成。

• 更底层：高阻硅衬底，承担机械支持并隔绝电磁噪声。
• 中间层：超导共面波导（CPW），像微型高铁，负责微波信号传送。
• 顶层：铝垫片和金焊球，用于跟外部控制电缆连接，形成光电混合接口。

这种多层级布局让芯片既像城市立交桥，也像《红楼梦》中大观园层进院落，一步一景，层层递进。

肉眼看得见的“冰箱”

整个系统被封装在不锈钢、铝、铜层层包裹的超低温恒温器里，顶端常飘着白雾。外行常常误以为白雾是制冷剂，其实是空气中的水汽冷凝所致。Google工程师曾在博客笑称：我们每天都在云雾缭绕里做实验，如同《西游记》凌霄宝殿。

实验室新手常见误区

“把芯片插上去就跑，结果噪声直接淹没信号。”
——MIT实验手册案例摘录

新手最常见的三大漏洞： 微波线屏蔽不足：屏蔽层未接地，外部Wifi即可让量子比特崩溃； 热锚漏热：未在每一级冷盘用热阻膏固定，相当于在冰箱门缝塞了根暖气管； 操作脉冲长度：误以为越短越好，结果脉冲带宽超出共振腔品质因数，像用勺子切牛排，刀工虽快却切不动。

如何在家模拟量子芯片外观

买不起稀释制冷机？可以尝试以下低配版替代：

1. 打开手机微距模式，对着CPU散热片拍摄金属走线，肉眼可见的间距大约50微米，而超导芯片的线宽只有0.1微米。
2. 用金葱粉与透明胶水混合，滴在玻璃片上轻吹，会形成类似约瑟夫森结的随机微桥，可直观感受纳米级尺度下的“桥”概念。
3. 在黑暗房间打手电照烟雾，观察光束散射，便能体会微波在超导腔里往返十万次的驻场效应。

正如伽利略用斜面实验“看见”加速度，我们也能用厨房里的材料窥见量子宇宙的轮廓。

下一步展望

IBM路线图透露将在2026年把单芯片比特数提升到一千以上，届时线宽将从90 nm缩到30 nm，芯片面积却会缩小一半，原因是采用了氮化铝钪新材料降低电容串扰。正如《史记》所言：世异则事异，事异则备变。超导芯片的外形也将持续进化，唯一不变的是它依旧必须在接近绝对零度的宇宙冷端里跳舞。