谷歌公司和IBM公司的量子计算机( BM Q System One)都使用芯片处理数据。经典计算机需要上亿个微型晶体管来处理数据，但对量子计算机的来说，只需要很少的量子比特就能完成同样的计算 Sycamore的芯片有53个量子比特，而 BM Q System One只有20个量子比特。

量子比特由铌元素制成，且被印在硅片上(经典计算机的芯片也主要是由硅片制成的)。当两个铌电极被一层氧化铝薄膜隔开时，会产生约瑟夫森效应一一换句话说，电极上的电子可以发生量子隧穿效应，穿过绝绿层(就是前面提到的氧化铝薄膜)，产生量子纠缠现象。不过，只有当电极材料是超导体，即不存在电阻时，才会产生约瑟夫森效应。

要想设计出可以取代经典计算机的量子计算机，科学家就需要攻克约瑟夫森效应这项难关。从目前的研究来看，量子效应只在非常微小的尺度下发挥作用，因此很容易受到干扰。一个原子、一丝空气或者某些更小的粒子都可能使脆弱的量子比特丧失叠加态，进而使量子计算难以进行。

因此，IBM公司和谷歌公司都将量子芯片安置在一个冷却器的底部，而这个冷却器又放在一个大型冷却箱里。冷却箱由很多金、铜元件构成，它们可以让芯片的温度接近绝对零度(273.15℃）。

这种冷却设备被称为“稀释制冷机”( dilution refrigerator)，是科学家使用量子芯片进行计算时必不可少的装置。量子芯片表面的量子比特越多，让它们长时间保持加态的难度就越大，因为它们受到外部电子干扰的风险会随着量子比特的增加而呈指数级增长。这也是量子计算机所拥有的量子比特很难迅速增加的原因。

文章采集自《奇点科学》杂志  2021.03期    p65

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