動動滑鼠就能操縱超導量子處理器？快來玩一把！

04-18

中科院量子信息與量子科技創新研究院和阿里雲宣布，

他們上線了一台11量子比特的超導量子處理器，並在這款處理器的基礎上開發了一個雲服務系統。

任何人，比如你和我，都可以訪問這個雲系統，然後按照自己的想法，對其中的11個量子比特執行各種計算操作，也就是運行自己的量子計算「程序」。

今天，我們就來嘮一嘮，這個超導量子處理器好不好玩，應該怎麼玩。

在開始玩之前，我們先來猜猜看，量子處理器應該長什麼樣？雖然咱們都不會製造量子處理器，但是可以推想，量子處理器背後的規律是量子力學，量子力學是描述微觀世界的物理定律，所以，能夠用來造量子處理器的東西，恐怕是原子、光子、電子這樣的微觀粒子。

那麼問題來了，量子處理器是用幾個原子、光子、電子造的，你買回來敢往家裡放嗎？萬一找不到了你怨誰？

就算你敢往家裡放，你知道怎麼用嗎？原子、光子、電子這玩意兒誰會操縱？

萬一有一天，你好不容易賣了腎，血拚回來一塊最新版硬體，打算升級一下原有設備，那麼這兩堆原子應該怎樣連起來？

這麼一尋摸，感覺量子處理器就算造出來，咱們老百姓也沒法玩啊。難道科學家就不能造一台長得像計算機的量子計算機嗎？這次雲系統用的量子處理器是用啥材料做的呢？

別著急，今天我給大家安利一款用宏觀材料製造、易上手、可擴展的量子處理器——超導量子處理器。

一、量子處理器居然有電路圖？

超導量子處理器最好玩的地方，就是它真的很像經典計算機的處理器（CPU）。

假如你拆開自己的手機或者電腦，會在電路板上看到啥？肯定會看到導線、電容、電感、電阻啦等等電子元件。如果你拿顯微鏡查看CPU的電路，還能看到二極體、三極體。

同樣的道理，如果你拆開超導量子處理器，就會看到類似這樣的一個電路圖，這不是別的，正是一個超導量子比特的電路圖。

如果你中學學過的知識沒忘，還記得怎麼認電子元件符號的話，就會發現超導量子比特的電路圖咋這麼眼熟？這不就是電容嘛？

這不就是電感嘛？

這不就是接地嗎？

這麼簡單的電路就能產生量子比特？可不是咋的！你有沒有注意到，在這個簡單的電路中，有一個經典計算機電路圖裡看不到的玩意兒，就是這兩個×：

這兩個×可不是畫錯了，它就是曾經獲得過1973年諾貝爾物理學獎的約瑟夫森結。正是因為有了這個結，看似不起眼的電路圖才能搖身一變，變成一個量子比特。那麼，它到底是怎麼變的呢？

二、有了結，咋就成了量子比特？

在經典計算機中，我們用電路中電壓的大小來來表示經典比特中的1和0。例如，有的晶元規定，正12V電壓表示比特1，負12V表示比特0。

同樣的道理，如果我們要用電子元件造量子比特，就得想辦法在電路中整出兩個不同的量子狀態來，一個狀態表示1，一個狀態表示0。可是，我們平時常用的電容、電感，都是線性元件。用它們搭一個電路，產生的量子狀態可不止兩個，而是一堆均勻的量子狀態。

通上電以後，系統很可能在不同的量子狀態上亂竄，你根本控制不了。

而且，只要有電路就會有電阻，你一通上電，它就會一邊計算一邊發熱一邊損耗能量。就算開始不亂套，算上一會兒它也會亂套。

在這種情況下，科學家自然會想到，有沒有一種不會發熱，不會損耗能量的電子元件呢？而且，它還得是非線性的，能強行造出兩個特殊的量子狀態用來表示1和0？

世界上有一種電子元件滿足這些條件，那就是約瑟夫森結。

約瑟夫森結的結構很簡單，就是在兩個超導體中間加一層薄薄的絕緣體（或者普通導體），比如圖中的鋁-氧化鋁-鋁（鋁需要在低溫下才能進入超導狀態）。

做成這種三明治以後，約瑟夫森結就會展現一種奇怪的非線性效應。

什麼叫非線性呢？讓我們先來看看線性是咋回事。

如果一個線性導體兩邊沒有電壓，就不會有電流通過。

如果在導體兩端加上一點兒電壓，其中就會有電流通過。而且電壓越大，電流也會越大，這就是線性。

約瑟夫森結根本不按套路出牌。你還沒給它加電壓，它就有電流了，而且是一種超導電流。

當你在它的兩端加上一點兒電壓後，它的超導電流不會增大，而是會開始振蕩。

你加大電壓，它的超導電流既沒有變大，也沒有變小，而是會改變超導電流振蕩的相位。

你看，約瑟夫森結的超導電流根本不鳥電壓（在一定電壓範圍內），只是振蕩的相位隨著電壓而變化，這樣的特性就是一種非線性。

在電路中加上約瑟夫森結以後，我們就利用它不按套路出牌的非線性效應，在電路中製造出一組特殊的量子狀態。在這組量子狀態中，有兩個最低能量狀態離得特別近，非常適合用來表示量子比特1和0。

用約瑟夫森結搭建的超導量子電路的狀態，可不是一般的量子狀態，它還有一個朗朗上口的名字，叫作「宏觀量子狀態」。在我個人看來，它確實有點兒像劉慈欣科幻小說中描述的「宏原子」。這就是它的第一個優點：宏觀（具體細節請看結章節附註釋）。

並且，作為一個超導電子元件，雖然約瑟夫森結中需要加一層薄薄的絕緣體，但通上電並把溫度降低到絕對零度附近以後，它既不會發熱，也不會損耗能量。這是它的第二個優點：不損耗能量。

為了實現超導，科學家通常要用稀釋制冷機把它降低到絕對零度之上0.01度左右（10mK），在這麼低的溫度下，電路和環境中的雜訊很少，不容易讓計算出錯。這是它的第三個優點：抗干擾。

想要操縱電路中的超導量子比特可比操縱原子簡單多了，工程師用5GHz的微波就可以輕鬆地搞定，這就是它的第四個優點：易操縱。在量子比特之外加上一個特殊的振蕩電路，就可以讀取比特的狀態，這就是它的第五個優點：易讀取。把幾個量子比特用超導電容連起來，這幾個量子比特就可以發生量子糾纏，這就是它的第六個優點：易規模化。

三、11量子比特的超導量子處理器

當然，真正的11量子比特超導量子處理器不可能是熱狗三明治做的。它使用的超導材料是鋁，襯底是藍寶石（氧化鋁），約瑟夫森結採用的是鋁-氧化鋁-鋁結構。

由於需要在絕對零度附近才能正常工作，平時這個處理器晶元都關在稀釋制冷機中。如果你去實驗室參觀，只能看到這個：

如果你把晶元拿出來，放在顯微鏡底下，你會看到這個：

是不是不明覺厲？其實很好理解。我們來看看它的樣品圖：

在上面那個樣品圖中，十字型或星字型符號就表示一個量子比特。它的真面目就是我們剛才提到的，用約瑟夫森結加上超導電容構成的超導量子比特。

超導量子處理器雖然在實驗室的稀釋制冷機里凍著，但是你可以登錄雲端平台，註冊一個賬號，然後搭建自己的量子線路。它可以實現單比特操作，雙比特操作和多比特讀取等多種操作組合。

四、零基礎教你搭建量子線路

那麼，這個雲平台應該怎麼玩呢？跟經典計算機中的編程不同，你需要直接用一組「量子門」搭建一條線路，讓其中的量子比特從0出發，經過一系列門之後，達到你想要的狀態（一系列0和1的疊加態），然後再去測量它。

比方說，我們要讓三個量子比特（例如，Q4，Q5和Q6），經過一組量子門之後，變成一種特殊的糾纏態。此時，如果你測量它們，就會發現，如果Q4的測量結果是0，那麼Q5和Q6的測量結果也必然是0；如果Q4等於1，那麼Q5和Q6也必然等於1。這就說明三個量子比特之間發生了量子糾纏：整個系統處於三個量子比特都等於0和三個量子比特都等於1的量子疊加態中，這種狀態有個專門的名字，叫作GHZ態。

如何才能讓量子比特變成這樣的狀態呢？在實際的運行中，所謂讓量子比特通過一個量子門，都是通過向電路中輸入微波（或圓滑的方波）實現的。從物理學上來看，我們能進行的量子門操作比較有限。不過從理論上說，如果你足夠有技巧，藉助這幾組有限的量子門操作，是可以演示絕大部分世界上的基礎量子計算演算法的。

在我們的例子中，為了製備GHZ態，你只需要按照下圖的順序，分別將左上角的幾個量子門拖動到線路的相應位置上，