Building a Quantum Computer, One Fragile Qubit at a Time

本文来自：quantamagazine.org

目前尚无人知晓未来量子计算机将采用何种技术，但这场量子计算机研发竞赛已经催生出一些科学界最复杂的仪器。

Graham Carlo1

https://www.quantamagazine.org/building-a-quantum-computer-one-fragile-qubit-at-a-time-20260819/

By Ben Brubaker2

August 19, 2026

几乎所有现代计算机：从洗碗机里廉价的微控制器到为人工智能系统处理数据的高科技硬件，都依赖于同一种技术：在硅片上刻蚀出被称为晶体管的微观结构。

包含晶体管的电子电路可以快速可靠地在两种状态（通常标记为“0”和“1”）之间切换。

这使得它们能够存储和操作“比特”，即信息的基本单位。

量子计算机有望以超越简单的 0 和 1 的全新且更强大的方式处理信息，并解决一些普通“经典”计算机难以解决的问题。

然而，制造一台足以实现这一愿景的强大机器仍然是一项艰巨的挑战。

量子计算尚未迎来其晶体管时代的辉煌时刻，研究人员仍在探索开发量子硬件的多种不同方法。

当前各种方法的首要区别在于它们所使用的物理系统，这些物理系统被用作量子比特，量子比特是量子计算机的基本组成单元。

与存储经典比特的电路不同，量子比特可以展现出诸如叠加3和纠缠4等奇异现象，从而赋予它们额外的计算能力。

但这些量子效应也非常脆弱，很容易受到量子比特与周围环境之间微小相互作用的干扰。

每一种提出的量子比特技术都试图兼顾两个难以同时实现的特性：量子比特必须能够免受外部干扰，但又必须易于研究人员操控。

一些研究人员将目光投向了原子等天然量子系统。

要将单个原子用作量子比特，首先必须将其隔离并囚禁在真空腔中。

研究人员为此采用了两种不同的方法。

在囚禁离子量子计算中，研究人员从每个原子中敲出一个电子，得到带正电荷的离子，这些离子可以通过电场束缚在特定位置。

另一种方法是使用称为“光镊”的聚焦激光束阵列来囚禁中性原子。

其他研究人员正在探索一种名为超导量子计算的替代方法，该方法涉及人工量子比特的设计。

研究人员利用为传统计算机开发的微加工工艺的改进版本，组装由铝和铌等金属制成的微型电路，这些金属在冷却到极低温度时会变成超导体。

这些超导电路被放置在称为稀释制冷机的特殊低温系统中，可以像量子比特一样工作。

人们已经探索了许多其他量子比特候选对象，从电子自旋到光子，再到更奇特的量子系统5。

从小型原型扩展到更大规模的系统是所有这些方法面临的最大挑战之一。

仅仅制造几个高质量的量子比特是不够的：即使是最乐观的估计，研究人员最终也至少需要数万个量子比特，甚至可能达到数百万个。

更多的量子比特也意味着更大、更复杂的控制和测量系统。

虽然现在断言哪种技术（如果有的话）最终胜出还为时过早，但以下图片展示了构建可靠量子计算机所需的雄心勃勃的努力。

这张摄于 2017 年的引人注目的照片，拍摄于牛津大学的囚禁离子量子计算实验室，照片中一个锶离子悬浮在真空腔内。

针状和刀片状钢电极产生的电场将离子限制在针尖之间 2 毫米区域的中心。

由于离子不断吸收激光束中的光子并释放光子以释放多余的能量，因此清晰可见。

像这样相对笨重的“刀片陷阱”常用于学术实验室，以测试少量量子比特的新型量子计算技术6。

（来源：David Nadlinger/牛津大学）

为了扩大囚禁离子量子计算机的规模，研究人员需要使用更紧凑的“表面阱”。

在这种表面阱中，离子通过芯片表面薄金电极产生的电场悬浮在芯片上方。

科罗拉多州 Boulder 市国家标准与技术研究院 NIST 的研究人员在 2021 年发表的一篇论文中介绍了这种表面阱。

该表面阱集成了一个光子探测器7（芯片中心的微小黑色实心点），用于测量作为量子比特的铍离子的状态。

（来源：D. Slichter /NIST）

运行一台中性原子量子计算机需要多种不同的激光系统，用于移动、捕获、测量和操控作为量子比特的原子。

这张哈佛大学中性原子实验室的光学平台照片展示了部分反射镜、透镜、光纤和探测器，以及其他用于引导、分束和稳定激光束的组件。

（来源：Ken Richardson）

中性原子量子计算机的核心是玻璃真空腔，原子被捕获在光镊阵列中。

这个由量子计算初创公司 QuEra 制造的真空腔周围环绕着螺旋线圈，使研究人员能够精确控制阱区内的磁场。

图中还可以看到用于将激光束聚焦到真空腔内的组件。

（来源：QuEra Computing）

利用中性原子量子计算中使用的光镊阵列，可以轻松地重新排列原子，使任意一对量子比特接触。

在2018 年发表的一篇论文中8，巴黎-Saclay 大学的研究人员展示了这种能力，他们将原子排列成许多引人注目的三维形状，其中包括一个仿照埃菲尔铁塔的形状。

（来源：Thierry Lahaye / CNRS）

加州理工学院的一个研究团队在 2025 年发表的一篇论文中，利用直径 1 毫米的光镊阵列捕获了创纪录的6100 个可独立控制的铯原子9。

他们证明，这些原子中编码的量子比特具有较长的相干时间，这是量子计算的先决条件。

但他们并未进行任何计算——目前用于运行量子算法的最大量子比特数量纪录仍然远低于此。

（来源：加州理工学院/Endres 实验室）

制造超导量子比特的工艺很大程度上借鉴了传统计算机芯片的制造过程。

首先，将金属和其他材料的薄片层层堆叠在洁净的硅片上，制成量子比特；

然后，将硅片切割成独立的芯片。

这种芯片制造过程需要在洁净室中进行，例如位于纽约州奥尔巴尼的这间洁净室（上图），以防止灰尘和其他颗粒物的污染。

这些芯片（下图）是根据 IBM 代号为“夜鹰”（Nighthawk）的设计制造的。

每个芯片包含 120 个量子比特，以及用于控制量子比特之间相互作用的其他超导电路。

（来源：IBM）

这款由加州大学圣巴巴拉分校的研究人员于 2010 年代初设计的芯片，展示了超导量子比特的设计。

它边长 6 毫米，包含四个超导量子比特（位于绿色和黄色区域中间的金色方块）。

每个量子比特都与一条蜿蜒的超导条带（称为谐振器）配对，该谐振器用作存储量子信息的存储器。

量子比特之间通过位于芯片中心的较长的锯齿形谐振器进行相互作用。

外部连接提供微波脉冲，用于控制和测量。

（来源：Erik Lucero）

形似吊灯的稀释制冷机或许是量子计算基础设施中最引人注目的例子。

上图是“獾”（Badger），耶鲁大学的研究人员曾在 2009 年利用它演示了两个超导量子比特上的简单量子算法，该演示极具影响力10。

其右侧的管道系统循环着氦同位素混合物进行冷却。

运行过程中，承载量子比特的芯片会固定在最底层金属板下方的铜盒上，整个系统会被嵌套的圆柱形屏蔽罩包裹，以阻挡热辐射并提供真空绝缘。

下图是谷歌量子人工智能（Google Quantum AI）公司一款更现代化的稀释制冷机，它展示了扩展超导量子比特系统所面临的工程挑战之一。

为了控制单个量子比特并调节它们之间的相互作用，需要使用许多带有 S 形弯曲的电缆，以缓解冷却过程中热收缩造成的应力。

量子计算技术正在飞速发展，但仍有很长的路要走。

（来源：左图 Jessica Smolinski; Google Quantum AI）

外部链接：

[1]..https://www.quantamagazine.org/tag/image-gallery/

[2]..https://www.quantamagazine.org/authors/brubaker_ben/

[3]..https://www.quantamagazine.org/why-is-quantum-computing-so-hard-to-explain-20210608/

[4]..https://www.quantamagazine.org/the-quest-to-quantify-quantumness-20231019/

[5]..https://www.quantamagazine.org/physicists-create-elusive-particles-that-remember-their-pasts-20230509/

[6]..https://www.nature.com/articles/nature25737

[7]..https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010501

[8]..https://www.nature.com/articles/s41586-018-0450-2

[9]..https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4

[10]..https://www.nature.com/articles/nature08121

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