“电路人造原子”及其与信息技术的关系
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快问快答
问题: 如何用通俗语言理解“电路中的宏观量子现象”这一诺奖级发现?
要理解这一发现的深刻性,我们需要分别解析两个核心的量子现象,以及它们如何在一个“宏观”电路中得以实现。
这项研究的突破在于,通过引入一个名为“约瑟夫森结”的非线性、无损耗的电感元件,彻底改变了传统LC电路的性质。
· 约瑟夫森结的角色:它是由两层超导体被一层极薄的绝缘层隔开构成的。在极低温下,库珀对可以无损耗地“隧穿”通过这个绝缘层。其关键特性是,它的等效电感值会随着通过的电流(或磁通量)而变化,即“非线性”。
量子隧穿是量子力学最奇特的现象之一,指的是一个微观粒子在没有足够能量的情况下,有一定概率“穿透”一个能量壁垒,好比一个幽灵穿墙而过。 在电路系统中,这个概念被“宏观化”了:
· “粒子”是什么? “粒子”不再是单个电子,而是整个电路的集体状态,例如,约瑟夫森结两端的相位差,或者是在电容上聚集的电荷所代表的系统状态。
· “墙”是什么? “墙”是由电路参数和外部偏置电流共同决定的一个能量势垒。经典理论认为,如果系统没有足够的能量,它将永远被困在势垒的一侧。
这项诺贝尔奖级的发现,其在IT领域的价值,远大于它在基础物理学上的贡献。它标志着人类从“观察”量子现象,迈向了“工程化设计和制造”量子系统的全新阶段。
这项工作直接催生了目前技术最成熟、扩展性最被看好的量子比特实现方案——超导量子比特(Transmon Qubit是其最成功的变种)。其相比其他物理体系(如囚禁离子、光量子、量子点等)的优势在于:
· 可设计性:我们可以像设计普通集成电路一样,通过调整电容、电感和约瑟夫sen结的参数,来精确“定制”量子比特的各项属性,如能级频率、相干时间等。
· 可制造性:超导量子比特可以利用成熟的半导体微纳加工工艺(如光刻、薄膜沉积等)在硅晶片上进行大规模制造,这为构建包含数千乃至数百万量子比特的大规模量子计算机提供了现实的工程路径。
· 可控性:对超导量子比特的操控,是通过成熟的微波工程技术实现的。我们可以通过向芯片发送精确计时的微波脉冲,来执行单比特门(旋转)和两比特门(纠缠)等所有基本的量子计算操作。