超导量子芯片原理

8月9日美国《科学》杂志发表，浙江大学等国内单位组成的团队开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。科研人员介绍，此次研发的芯片拥有比特之间进行相互连接特点，这能提升量子芯片运行效率，也是能够率先实现20比特纠缠的重要原因之一。

量子究竟是什么?

量子是构成物质的基本单元，是能量的最基本携带者，不可再分割。量子是物质的最基本构成单元，或者说是能量的最基本携带者。所有的微观粒子，包括分子，原子，电子和光子都是量子的一种表现形态。举个简单的例子，我们每天都要喝水，把一杯水分成一半，然后四分之一，一直细分下去，就变成一个个水分子了，而水分子本身就是量子的范畴。构成世界的所有物质都是由很小的微粒子组成的，所以从某种程度上讲，人类就是一个庞大量子的集合体，整个世界也是由量子组成的。因为已经是最小的单位了，所以量子不能再被分割。

量子比特：

量子比特还没有一个明确的定义，不同的研究者采用不同的表达方式。参照Shannon信息论中比特描述信号可能状态的特征，量子信息中引入了"量子比特"的概念。

从物理学的角度，人们习惯于根据量子态的特性称为量子比特(qubit或qbit)、纠缠比特(ebit)、三重比特(tribit)、多重比特(multibit)和经典比特(cbit)等等。这种方式让人眼花缭乱，并且对量子比特的描述要根据具体的物理特性来描述。为了避免这些问题的困扰，这里从信息论的角度对量子比特做出统一的描述。

量子纠缠：

量子纠缠(quantum entanglement)，或称量子缠结，是一种量子力学现象，是1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的一种波，其量子态表达式:其中x1，x2分别代表了两个粒子的坐标，这样一个量子态的基本特征是在任何表象下，它都不可以写成两个子系统的量子态的直积的形式。 定义上描述复合系统(具有两个以上的成员系统)之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积(tensor product)。

量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术，与超光速传递信息相关。尽管知道这些粒子之间"交流"的速度很快，但我们目前却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。因此爱因斯坦提出的规则，也即任何信息传递的速度都无法超过光速，仍然成立。 实际上的纠缠作用并不很远。

量子纠缠原理是什么?

量子纠缠是指量子态的一种性质。它是量子力学叠加原理的后果。 而量子态，即“量子状态”，是量子力学的中心概念。

比如，光有个性质叫偏振，代表了电场振动方向，它总是位于与传播方向垂直的平面上。如果偏振方向沿着这个平面上的一个特定方向，这种光就是线偏振光，偏振方向沿着这个特定方向。 非偏振的自然光透过偏振片，可以产生偏振方向沿着透光轴的线偏振光。

如果让线偏振光垂直入射一个偏振片，它透过的强度是原来强度的x2，这个x是个不大于1的数，由光的原来的偏振方向与偏振片的透偏方向决定。

量子芯片是采用量子叠加和纠缠原理，对量子位状态进行光子数分辨探测后、编辑为量子线路集成在硅基片上，执行量子信息处理功能的新型芯片。

超导量子芯片是一种基于超导材料制造的量子计算芯片。它利用超导材料的特殊性质，如零电阻和零磁场漂移，来实现量子比特（qubit）的稳定储存和操作。

超导量子芯片的原理可以分为三个主要部分：储存、操作和读取。

1. 储存：超导量子芯片使用超导材料中的超导电流环来储存量子比特。超导电流环是一个闭合的超导电路，通过外部施加的磁场来控制量子比特的状态。在超导态下，电流环中的电流可以在没有耗散的情况下永远流动。

2. 操作：超导量子芯片利用微波脉冲来操作量子比特的状态。通过施加特定频率和幅度的微波脉冲，可以改变量子比特的能级结构，从而实现量子门操作。这些操作可以通过改变超导电流环中的磁场来实现。

3. 读取：超导量子芯片使用超导量子干涉仪（SQUID）来读取量子比特的状态。SQUID是一种超导材料制造的高灵敏度磁场传感器。通过将SQUID与超导电流环连接，可以测量量子比特的状态，并将其转化为电信号进行读取。

超导量子芯片的原理基于超导材料的特殊性质，通过精确控制和测量超导电路中的量子比特，实现了量子计算的稳定性和准确性。这为实现更复杂的量子计算任务提供了基础。

超导量子芯片的原理是基于超导约瑟夫森结的电子线路，可以由半导体微纳工艺灵活构造。它是一种基于超导材料的电路，可以利用超导材料在低温下的特殊性质实现制造量子比特。超导量子芯片是超导量子计算中的物理载体，其可以通过量子比特来编码量子信息，并通过操控量子比特来实现特定的量子任务。这种芯片可以用来构建超导量子计算机，这是一种利用超导材料实现的量子计算机。