近日，韓國(guó)一研究團(tuán)隊(duì)在arXiv網(wǎng)站發(fā)布兩篇論文，稱發(fā)現(xiàn)一種名為L(zhǎng)K-99的材料，可實(shí)現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)。

消息一出，便引發(fā)全球范圍內(nèi)的熱議，并遭受不少質(zhì)疑。很快，該研究團(tuán)隊(duì)一名成員指出論文存在缺陷，表示團(tuán)隊(duì)還未準(zhǔn)備好論文的發(fā)表，有團(tuán)隊(duì)成員未經(jīng)同意擅自上傳論文。目前，團(tuán)隊(duì)正在向arXiv網(wǎng)站申請(qǐng)下架論文。

與此同時(shí)，看似異常簡(jiǎn)單的制備流程也讓海內(nèi)外不少科研團(tuán)隊(duì)躍躍欲試，紛紛展開復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。截至8月3日，多數(shù)實(shí)驗(yàn)宣告失敗，但也有極個(gè)別團(tuán)隊(duì)取得進(jìn)展，復(fù)現(xiàn)出與LK-99類似的磁懸浮現(xiàn)象。

不過，“復(fù)現(xiàn)成功”僅能印證LK-99的抗磁性，同時(shí)一定程度上排除了該論文的學(xué)術(shù)造假嫌疑，并沒有足夠證據(jù)表明LK-99具有超導(dǎo)性。

隨著國(guó)內(nèi)外各科研團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)和公眾討論，LK-99事件還在持續(xù)發(fā)酵中，目前尚未有定論。值得一提的是，在人們對(duì)此事的熱議中，不少期待與希冀都指向了量子計(jì)算領(lǐng)域。

那么，超導(dǎo)和量子計(jì)算有什么關(guān)系？人們?yōu)槭裁磿?huì)用超導(dǎo)技術(shù)來制造量子計(jì)算機(jī)？本文就來聊一聊超導(dǎo)技術(shù)與量子計(jì)算。

超導(dǎo)現(xiàn)象與量子計(jì)算

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可追溯至20世紀(jì)初。荷蘭物理學(xué)家Heike Onnes在1911年的一次實(shí)驗(yàn)中將汞冷卻到4.2K以下，發(fā)現(xiàn)其電阻突然消失。這種現(xiàn)象被命名為超導(dǎo)，即“超級(jí)導(dǎo)電”，意味著電流傳輸?shù)母叨韧〞?，和能源的極低損耗。

隨后，科學(xué)家們?cè)谝恍┢渌慕饘俸秃辖鹬幸舶l(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，如鋁、鉛、鎳等。這些被稱為“傳統(tǒng)”或“低溫”超導(dǎo)體，通常需要在接近絕對(duì)零度的環(huán)境下才能表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

直到1986年，一批科學(xué)家陸續(xù)在銅氧鈣鈦陶瓷、鐵基等材料中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)的低溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)體極大降低了冷卻系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度。

20世紀(jì)90年代起，科學(xué)家開始嘗試使用超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)量子比特，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。基于超導(dǎo)現(xiàn)象帶來的極好的電流傳輸性能，可以制造出能被精確控制的超導(dǎo)量子比特。

但在超導(dǎo)材料的選擇上，由于高溫超導(dǎo)體材料相較于低溫超導(dǎo)體在制備、工藝以及其量子特性（如相干時(shí)間）等方面存在一些挑戰(zhàn)，至今未能在量子計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。

目前最常用的超導(dǎo)量子比特材料是低溫超導(dǎo)體鋁（Al）和鈮（Nb）。低溫超導(dǎo)體在極低溫度下顯示出零電阻和完全抗磁的特性，使得它們非常適合在量子比特中應(yīng)用。

超導(dǎo)量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

如今，超導(dǎo)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)量子比特方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，成為包括IBM、Google等在內(nèi)全球許多主流量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)和公司采用的主要技術(shù)。

這在很大程度上歸功于它的快速操作速度、高度可調(diào)控性、易于集成以及與經(jīng)典電路的直接互動(dòng)能力等特性。

• 處理速度快：相比其他平臺(tái)，超導(dǎo)量子比特在操作速度上更具優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)量子比特可以在納秒級(jí)別進(jìn)行操作，這使得在量子比特的相干時(shí)間內(nèi)完成更多的量子門操作成為可能。

• 設(shè)計(jì)靈活可控：超導(dǎo)電路的設(shè)計(jì)和制造過程具有很大的靈活性，各種參數(shù)（如頻率、耦合強(qiáng)度等）都可以通過改變電路的設(shè)計(jì)來精細(xì)調(diào)控。

• 易于集成：超導(dǎo)電路可以使用類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的技術(shù)進(jìn)行集成，因此有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子系統(tǒng)。

• 易于讀?。?/strong>與離子阱或中性原子等其他量子平臺(tái)相比，超導(dǎo)電路的讀取過程相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以直接與經(jīng)典電路相互作用。

以上優(yōu)勢(shì)使得超導(dǎo)技術(shù)在量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)廣受歡迎。不過，現(xiàn)階段低溫超導(dǎo)的冷卻需求仍是一大挑戰(zhàn)。

超導(dǎo)量子比特需要在接近絕對(duì)零度的環(huán)境中工作，從而實(shí)現(xiàn)零電阻超導(dǎo)，減少環(huán)境噪聲的影響。這需要使用昂貴的稀釋制冷系統(tǒng)，并意味著超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)需要在專門設(shè)計(jì)的低溫實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行。

這也正是室溫超導(dǎo)引發(fā)軒然大波的重要原因，研究人員對(duì)室溫超導(dǎo)抱有希冀，渴望在超導(dǎo)材料上找到突破。但近十年來，所有宣稱實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)都沒能經(jīng)得住推敲與考證。

現(xiàn)階段：提升自主研發(fā)能力仍是重心?

回到LK-99事件，正如文章開頭所述，實(shí)驗(yàn)復(fù)刻成功僅代表該材料可能是一種新的抗磁體。抗磁性作為超導(dǎo)的特性之一，是其必要條件，而非充分條件，并沒有足夠的直接證據(jù)表明LK-99抗磁且超導(dǎo)。因此，人們對(duì)室溫常壓超導(dǎo)材料的期待還需再緩一緩。

在現(xiàn)有的、已被確認(rèn)可行的材料與生產(chǎn)條件下，如何打造好量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，提升自主研發(fā)能力，更大程度發(fā)揮出超導(dǎo)材料的性能，激發(fā)量子計(jì)算的潛能，仍然是現(xiàn)階段最重要的目標(biāo)。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)需要精密和復(fù)雜的硬件設(shè)備，例如低溫冷卻設(shè)備、超導(dǎo)電路、以及精確的測(cè)控系統(tǒng)等。而其中的制造工藝需要不斷打磨和優(yōu)化迭代，不斷地嘗試參數(shù)，提高儀器的穩(wěn)定性，才更有機(jī)會(huì)摸索出一套成熟的加工工藝，繼而制造出穩(wěn)定可靠的量子計(jì)算系統(tǒng)。

建立專門的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室至關(guān)重要。在專門的實(shí)驗(yàn)室中，研究者可以自主開發(fā)和優(yōu)化這些設(shè)備，并通過實(shí)驗(yàn)反饋來改進(jìn)設(shè)計(jì)。無論是IBM支持433量子比特的Osprey量子計(jì)算機(jī)，還是實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的谷歌Sycamore（懸鈴木），都離不開他們?cè)诔瑢?dǎo)量子實(shí)驗(yàn)室上的投入，以及因此得到的在研發(fā)工藝上的深厚積累。

在國(guó)內(nèi)，量旋科技自主投資建設(shè)的量子芯片實(shí)驗(yàn)室也已投入使用，并成功實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)測(cè)控系統(tǒng)中所有模塊的自主研發(fā)生產(chǎn)。2023年4月，量旋科技全線升級(jí)了三大業(yè)務(wù)線產(chǎn)品，其中重點(diǎn)布局的超導(dǎo)量子計(jì)算體系首次對(duì)外正式亮相，包含超導(dǎo)量子芯片少微、超導(dǎo)芯片EDA軟件天乙和超導(dǎo)量子測(cè)控系統(tǒng)織女星等一系列新品。

并且，得益于全鏈條自主研發(fā)能力，除一站式提供超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)一體化整機(jī)外，量旋科技也可以分別提供更高性價(jià)比的模塊單元和芯片標(biāo)定調(diào)試、整機(jī)集成調(diào)試等多樣化服務(wù)。

展望未來：超導(dǎo)量子前景廣闊

未來，隨著自主研發(fā)能力的進(jìn)一步提升，以及超導(dǎo)材料上可能產(chǎn)生的突破，超導(dǎo)量子計(jì)算將在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

例如在藥物研發(fā)領(lǐng)域，涉及諸多分子結(jié)構(gòu)方面的問題。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)在處理這類問題時(shí)能夠提供更精確的量子化學(xué)模擬，極大提升藥物研發(fā)的效率。

還有金融投資策略、交通規(guī)劃等領(lǐng)域，其共通點(diǎn)是需要尋找最優(yōu)狀態(tài)。這類問題往往較為復(fù)雜，需要強(qiáng)大的算力，而量子計(jì)算機(jī)更有潛力找到全局最優(yōu)解，從而提升各類決策的效率和質(zhì)量。

以及目前發(fā)展風(fēng)頭正盛的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中，量子計(jì)算機(jī)可能通過并行處理大量數(shù)據(jù)，加速權(quán)重優(yōu)化的過程。此外，一些特殊的量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法可能比經(jīng)典算法更有效。

參考資料

[1] https://eirifu.wordpress.com/2023/07/30/lk-99-superconductor-summary/

標(biāo)簽：超導(dǎo)量子量子計(jì)算量子芯片室溫超導(dǎo)