量子百年系列（1）｜揭秘超导量子计算机的“心脏”

【导语】2025年，联合国“国际量子科学与技术年”之际，诺贝尔(ěr)物(wù)理(lǐ)学(xué)奖(jiǎng)再度聚焦超导量子计算，授予约翰・克拉克、米歇尔・德沃雷、约翰・马丁尼斯三位科学家，表彰其通过约瑟夫森结在宏观电路中首次直接观测到量子隧穿与能级量子化的突破性成果。这一发现(xiàn)不(bù)仅(jǐn)奠定了约瑟夫森效应器件的物理基础，更推动了超导量子计算从理论走(zǒu)向(xiàng)实(shí)践(jiàn)——从谷歌“悬铃木”、IBM“鹰”到中国“祖冲之”系列，全球顶尖量子处理器均依赖这颗“量子心脏”驱动。本文将带您走进极低温世界，揭秘约瑟夫森结如何创造“人造原子”，解析量子比特叠加与纠缠如何催生指数级算力，并展望这一颠覆性技术从实验室走向工程应用的未来之路。

2025 年，联合(hé)国(guó)命(mìng)名的(de)“国(guó)际(jì)量(liàng)子(zi)科(kē)学(xué)与(yǔ)技(jì)术(shù)年(nián)”，诺(nuò)贝(bèi)尔(ěr)物(wù)理(lǐ)学(xué)奖(jiǎng)再(zài)度(dù)照(zhào)亮(liàng)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)。三(sān)位(wèi)先(xiān)驱(qū)——约(yuē)翰(hàn)・克(kè)拉(lā)克(kè)、米(mǐ)歇(xiē)尔(ěr)・德(dé)沃(wò)雷(léi)、约(yuē)翰(hàn)・马(mǎ)丁(dīng)尼(ní)斯(sī)——因(yīn)“在(zài)宏(hóng)观(guān)电(diàn)路中(zhōng)观(guān)测(cè)到(dào)量子隧穿与能级量子化”而共同获奖。他们的实验首次在宏观电路中直接观测到量子隧穿与能级量子化，奠定了约瑟夫森效应器件的物理基础。同时，约瑟夫森效应器件应用广泛，超导量子计算只是其中之一；本文将聚焦其在超导量子计算中的作用与前景。

图1：2025年诺贝尔物理学奖获得者

（图片来源：2025年诺贝尔物理学奖官网）

All Nobel Prizes 2025[EB/OL]. Nobel Prize Outreach AB, 2025[2025-10-30]. https://www.nobelprize.org/all-nobel-prizes-2025/.

放(fàng)眼(yǎn)全球(qiú)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)是(shì)与(yǔ)现(xiàn)代(dài)芯(xīn)片(piàn)工(gōng)艺(yì)最(zuì)“合(hé)拍(pāi)”的(de)量(liàng)子(zi)技(jì)术(shù)路线(xiàn)：纳(nà)秒(miǎo)级(jí)操(cāo)作(zuò)速(sù)度(dù)、成(chéng)熟(shú)的(de)微(wēi)波(bō)测(cè)控(kòng)、可(kě)微(wēi)缩(suō)的(de)平(píng)面结构，让它在量子处理器集成度和算力演示上持续领跑。从谷歌的“悬铃木”、IBM 的“鹰”，到中国的“祖冲之”系列，一次次“量子优越性”成功的背后，都跳动着同一颗“量子心脏”——约瑟夫森结。

下面，让我们循着诺奖的光芒，走进极低温世界，看看这颗“心脏”如何驱动人造原子，奏响指数级算力的序曲。

01 约瑟夫森结 —— 宏观世界的量子“引擎”

今年的诺贝尔物理学奖表彰的是基于约瑟夫森结设计并实现的宏观量子电路——例如在电流偏置约瑟夫森结中观测到能级量子化与宏观量子隧穿。需要说明的是，约瑟夫森效应本身（Josephson 的理论预言）已于 1973 年与隧穿效应相关研究共同获得诺贝尔物理学奖。

简单说，它把一层只有几纳米厚的绝缘体夹在两块超导体之间，形成“超导—绝缘—超导”三明治。当温度降到10 mK左右，库珀对（Cooper pairs，两个电子通过晶格振动“牵手”形成的配对粒子）会像幽灵般穿过绝缘层，产生无耗散的“约瑟夫森电流”。这一现象把非线性带进了宏观电路，使得整个系统的能量不再连续，而是像原子一样分立、非等间距。

图2 约瑟夫森结的结构及原理

（图片来源——参考文献：

郑文, 于扬. 超导量子计算核心器件[J]. 物理, 2023, 52(11): 731-743.）

非线性有多重要？就像吉他弦被重拨会出现“走音”，约瑟夫森结赋予电路以非线性，把原本等间距的谐振子能谱“拉出不等间距(jù)”（非(fēi)谐(xié)性(xìng)）。正(zhèng)因(yīn)如(rú)此(cǐ)，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)用(yòng)单(dān)一(yī)频(pín)率(lǜ)的(de)微(wēi)波(bō)选(xuǎn)择(zé)性(xìng)地(de)只(zhǐ)驱(qū)动(dòng) |0⟩↔|1⟩ 跃(yuè)迁(qiān)，而(ér)不(bù)误(wù)触(chù) |1⟩↔|2⟩ 等其他跃迁，从宏观电路中“选出”一个可控的近似两能级系统——这就是人造原子（量子比特）。没有这份非线性，超导电路只是线性谐振子，能级等间距，任何驱动都会同时耦合多条跃迁，无法实现稳定、可寻址的量子 0/1 叠加与翻转。

当然，这颗“心脏”极度喜冷。热噪声只要高过能级间隙，量子信息就会像雪糕般融化。因此，超导量子芯片必须躺在稀释制冷机提供的“宇宙最冷摇篮”里——10至15 mK，比外太空还要冷三个数量级。这里，氦-3 与氦-4 同位素循环蒸发，把最后一丝热量拖出系统，为量子态争取宝贵的“保鲜期”。

02 量子比特的诞生：从“人造原子”到算力基石

超导量子计算的原理，就是利(lì)用并操控这个“人造原子”的能级来进行信息编码与运算。当电路被冷却至超导态时，其能量状态将呈现离散化。通常选取基态（|g⟩）与第一激发态（|e⟩）构成一个量子比特：|g⟩ 映射为 |0⟩，|e⟩ 映射为 |1⟩。

与(yǔ)经(jīng)典(diǎn)比(bǐ)特(tè)的(de)“非(fēi)0即(jí)1”的(de)确(què)定(dìng)态(tài)不(bù)同(tóng)，量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)能(néng)以(yǐ)0和(hé)1的(de)叠(dié)加(jiā)态(tài)存(cún)在(zài)——这(zhè)是(shì)一(yī)种(zhǒng)同(tóng)时(shí)包(bāo)含(hán)0和1信息的量子状态。理论上，单个量子比特的叠加态有无限多种，只要满足测量后坍缩到0或1的总概率为1，就能构成不同概率占比的叠加态。通过施加精确的微波脉冲，可以像“拨动琴弦”一(yī)样(yàng)，相(xiāng)干(gàn)地(de)控(kòng)制(zhì)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)状(zhuàng)态(tài)的(de)演(yǎn)化(huà)，执行量子逻辑门操作。

单个量子比特的能力尚且有限，真正的算力爆发来自于将多个量子比特连接起来。超导量子比特的耦合方式丰富多样，如直接的电容耦合，通过谐振腔实现耦合等。当多个量子比特通过耦合连接起来，它们之间会形成奇妙的纠缠关联。

03 算力的源泉：量子纠缠与并行计算

纠缠是一种强大的量子关联，使得多个量子比特成为一个不可分割的整体。通过对这些处于叠加和纠缠态的量子比特进行精巧的编排与测量，便能利用量子并行性，以一种经典计算机无法模拟的方式处理信息，从而在特定任务上实现算力超越。

例如，在一个有50个纠缠量子比特的系统中，理论上其所能描述的状态空间复杂程度（2^50，约1000万亿种可能性）已让最强的经典超级计算机难以模拟。这种指数级增长的信息处理潜力，正是谷歌“悬铃木”和我国“祖冲之号”实现量子计算优越性——即在特定任务上超越最强经典超级计算机的底层逻辑。需要强调的是，量子并行并非同时读出所(suǒ)有(yǒu)结(jié)果(guǒ)，而(ér)是(shì)通(tōng)过(guò)量(liàng)子(zi)干涉等机制，将正确答案的概率大幅放大，从而高效解决问题。

图3 “祖冲之”号量子计算原型机

（图片来源：安徽新闻联播视频截图）

结语

在“国际(jì)量子年”的背景下，2025年诺贝尔物理学奖为我们提供了一个绝佳的窗口，去审视超导量子计算这一颠覆性技术。我们从诺奖认可的宏观(guān)量(liàng)子(zi)现象出发，深入浅出地介绍了约瑟夫森结这一“量子引擎”如何创造“人造原子”，并理解了极低温环境的重要性，以及量子比特的叠加与纠缠为何能带来指数级算力提升。至此，超导量子计算机的核心工作原理已清晰呈现(xiàn)。

然(rán)而(ér)，原(yuán)理(lǐ)上(shàng)的(de)优(yōu)势(shì)如(rú)何(hé)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)工(gōng)程(chéng)上(shàng)的(de)胜(shèng)势(shì)？这(zhè)条(tiáo)通(tōng)往(wǎng)未(wèi)来(lái)的(de)道(dào)路上(shàng)又(yòu)存(cún)在(zài)着哪些必须跨越的鸿沟？全球产业界正如何布局，以攻克极低温负担、量子比特脆弱性以及规模化难题？敬请关注下篇。

参考文献

[1] （1985年的论文是三位2025年诺贝尔物理学奖得主的奠基性工作，首次在电流偏置的约瑟夫森结中实验观测到能级的量子化，直接验证了宏观电路中的量子效应）Martinis J M, Devoret M H, Clarke J. Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction[J]. Physical review letters, 1985, 55(15): 1543.

[2] （首次明确观测并报道了宏观量子隧穿现象）Devoret M H, Martinis J M, Clarke J. Measurements of macroscopic quantum tunneling out of the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction[J]. Physical review letters, 1985, 55(18): 1908.

[3] （“悬铃木”超导处理器在特定任务上实现“量子优越性”）Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[4] （“祖冲之号”实现“量子计算优越性”）Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[5] （“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)”进(jìn)一(yī)步(bù)刷(shuā)新(xīn)了(le)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)的(de)世(shì)界(jiè)纪(jì)录(lù)）Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

作者：栾春阳 清华大学物理系博士

王雨桐 清华大学物理系博士

审(shěn)核(hé)：党(dǎng)蕾(lěi) 中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)高(gāo)能(néng)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)高(gāo)级(jí)工(gōng)程(chéng)师(shī)

           杨(yáng)峰(fēng) 中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院理化技术研究所副研究员

策划：翟国庆

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