前段时间参加饭局，遇见一个憨乎乎的老哥，我们俩一见如故。在聊天的过程中，得知他是从事与量子计算机有关的低温超导材料的。当时一听到“量子计算机”，脑袋就“嗡”的一声，人变得恍恍惚惚，这么高大上的事情已经超出我的知识范围。
老哥一看我这样，赶紧强调，不是量子计算机，是超导材料，是一种特殊的合金材料，在低温下能实现超导状态，是量子计算机需要的材料，听到他这么说我才慢慢回过神来。
幸亏我高中物理基础尚可，对于低温超导有一定的基础了解，才能跟老哥接着聊下去。经过老哥的讲解，发现传说中的量子计算机也没多玄乎，构成貌似比我们常有的电脑更简单。
好吧，其实还是有一定难度的~
接下来，就带大家一起来了解一下量子计算机有关知识。
注意哦，内容仅供科普，如关心细节，请自行学习。
北京时间2022年10月4日下午17点45分，2022年诺贝尔物理学奖在斯德哥尔摩正式揭晓，法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger共享殊荣。
其中Anton Zeilinger还有一个较为特殊的身份，他是中国“量子通信之父”潘建伟教授在奥地利留学时的老师。
诺奖官方给出的获奖理由是，表彰他们“进行了纠缠光子的实验，确立了对贝尔不等式的不成立，并开创了量子信息科学”。
关于量子，这里就将其定义为能量或者物质的最小单位，不做进一步的深入探讨。
量子物理学里面有两个重要的概念，一个是量子纠缠，一个是量子比特，前者是量子加密通信的原理基础，后者是量子计算机的原理基础。
量子纠缠是指，如果一对或者多个量子处于纠缠态，那么他们彼此之间不受空间的限制能发生互相影响，其中一个量子的状态发生变化，将引起纠缠态中其他量子同步变化。好像人类之间能产生心灵感应一样。
还需要说的一个概念叫做量子态塌缩，通俗解释就是，在没有被观测时量子的状态是不确定的，当被观测时量子的状态塌缩了，变成了固定的形态。关于这种形态最著名的解释就是“薛定谔的猫”。下图中的猫，不打开盒子，我们不会知道它是或者还是死了，只有打开才知道。
举一个恰当的例子，就好比我们身边有个朋友A（他正处于量子态），当我们不看他的时候，他可能在竖蜻蜓，拿大顶，翻跟头，当我们用眼睛看他的时候，他就随机的从上述几种状态中选择了一种固定下来，我们看到他在拿大顶倒立，不代表他上一个瞬间也是在倒立，而是无法判断他在干什么。
假如A的另一个朋友B与他处于量子纠缠的状态，即便是在地球的另一端，也会在A固定拿大顶的一瞬间也成为某种固定的状态，不需要发个微信通知他什么的。
如果实在不能理解，可以想象自己旋转一个硬币，此时硬币的状态既可以说是正面也可以说是反面，只有用高速快门给它拍个照，照片才能代表它的瞬间状态，而拍照这个动作是对硬币的观测，此时硬币的状态由本张照片来代表，就此固定，它的状态“塌缩”了。
人们用量子纠缠这个特性来进行通信的加密，注意，是通信的加密，而不是用量子进行通信，通信的数据还是常规数据，只是在数据中加入了纠缠的量子对，当窃密者侵入通信线路时，由于他的观察将导致量子状态变化，那么通信双方立刻就能知道入侵，停止数据传输，防止泄密。
墨子号是中国研制的首颗空间量子科学实验卫星，能实现基于量子纠缠的密钥分发，2022年5月，中国墨子号卫星实现1200千米地表量子态传输新纪录。
接下来说量子比特与量子计算机。
目前，在大部分人的认知中量子计算机还是一种玄学，而不是科学。量子计算机与经典计算机的差异实在太大，凭什么量子计算机的计算速度比经典计算机快数万倍甚至数万亿倍，而计算机处理器的龙头厂商intel的CPU，每一代之间性能提升也就那么百分之十几，真是一个万恶的“牙膏”厂。
中国的“九章”量子计算机，在高斯玻色取样的特定算法中，比世界最快的超算“富岳”快100万亿倍。
诸位看到这，是不是觉得自己脖子上的CPU已经快要不够用了~
在经典计算机中，一个数据位只能有一种状态，要么是“0”要么是“1”，而在量子比特中的数据状态既是“0”又是经典“1”，两种状态同时存在。
所以当数据位变长时（类似数据量变大了），经典计算机的运算时间随着数据位变长而随之变长，因为每一个状态需要通过依次计算而得出结果，而基于量子比特制造的量子计算机却不管数据位多长，都在同一时间得出所有的计算结果，所以在数据位变得足够大的时候，量子计算机的计算速度是以指数级的领先。
简而言之，在量子的世界里，没有确定的状态，只有概率的状态，只有从量子态塌缩以后才会变成确定的状态。
有人看到这里就可能开始觉得烧脑了，颠覆了自己的常规认知，没关系，上述概念爱因斯坦也表示不接受。你只要知道上述是量子物理的基础，是这个世界的真实规律就行了。
回到我们的标题，怎么制造一台量子计算机？
量子计算机有几种代表性的形态，一种是加拿大DWAVE公司的“退火型”量子计算机，有咱们中国的“九章”光量子计算机，还有IBM、谷歌公司主打低温超导可编程量子计算机,从技术全面度和发展前景来看，本文认为可编程量子计算机最有可能成为市场主流。
我们今天要讲述的也是这种形态的量子计算机，下文的量子计算机如无特殊说明，仅指低温超导量子计算机。
低温超导可编程量子计算机有三个关键组成，低温超导量子计算芯片，低温实现装置，超导实现装置（材料）。
首先说量子计算的芯片，某些物质的物理性质具有量子态，例如光子、电子等等。如果它们还具备可被操作性，就得到量子比特，在量子相干的状态下控制量子比特的状态，即构成了一台量子计算机。
量子的相干性一般是指“态之间的关联性”，可以粗略的依照量子纠缠来理解，但是两者并不是等同概念，仅为了帮助理解在此大致的画上等号。量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、电子、光子等。
这个过程中的工程技术内容还有很多，不再详述。低温超导量子计算芯片的相对优点为较为容易实现对量子比特的控制，相干时间比较长。
当然这个较为容易是相对而言，要实现对量子比特的控制，对环境要求非常苛刻，温度越低，电磁干扰越小，量子计算过程越稳定，相干时间越长，相干时间是量子计算机一个非常重要的性能指标，是量子世界与经典物理世界之间的纽带与桥梁。全世界的科研人员正在为提升相干时间而不懈努力。
从某些角度而言，量子态与量子比特是自然界的规律之一，量子计算芯片的原理已经被国际IT巨头们以及各大高校所掌握，例如阿里、腾讯、百度、IBM、谷歌这样的企业，也有清华大学、中国科技大学、南京大学、国防科技大学、MIT、哈佛、剑桥等高端学术机构，呈现一种你追我赶，百花齐放的状态。
既然温度越低，量子计算机性能指标越好，科研人员就努力为它创造低温环境。例如咱们的空调就是一种低温装置，通过压缩做功降温，又或者使用干冰蒸发降温。
但是量子计算机需要工作在接近绝对零度（-273.15℃）附近，这是咱们空调无论如何也达不到的低温。
于是科研人员又发明了稀释制冷机，通过一级又一级的压缩做工，再加上使用特殊的制冷剂（一般为氦3），就将温度降到了-273℃左右，尽可能的为量子计算机创造更稳定的环境。
目前稀释制冷机的国际巨头为荷兰的bluefors，几乎居于垄断地位，国内各大科研机构及高校多半都是向他们购买，价格昂贵，周期冗长。国内也有一些厂商在努力的研制稀释制冷机，追赶bluefors的脚步，相信在不远的将来必将打破垄断。
如果电磁干扰越小，量子计算机的性能指标也相对越好，而多种材料在温度不断降低的过程中，内部的电阻会突然消失，达到超导状态，超导材料没有电阻，并且由于一种特殊的效应，内部的磁场也将消失，这样就对量子计算机的影响降到了最低。
用这种材料制成的微波线缆，才能将量子芯片的控制通道引出，实现量子计算与经典半导体之间的数据交换，这一类型的材料就叫做低温超导材料，它是稀释制冷机最重要的组成部分。
该类材料以前主要被日本所垄断，不仅价格昂贵，而且还限购，成为除芯片以外另一个被卡脖子的领域。下图中弯弯曲曲的导线即由低温超导微波材料制成。
大家都知道，要研制一种新材料不是容易的事情，越是基础的科学越是要做大量的工作。而这个老哥，在中国科学技术大学的鼓励下，毅然投身超导材料的研究，依托于自己工厂的人才与设备，就凭着国际上的几篇论文，通过中科大不断的实验支持，竟然把符合要求的合金材料研制了出来。
老哥自己说得轻描淡写：“我也不是太懂，我每重新配比一次，中科大就帮我做一次实验，我也不记得做了多少次实验，他们就说材料合格了！”
当我正觉得原来这么简单的时候，老哥又说了，做一次实验的成本大约要十几万，他做了几十次上百次，瞬间又差点让我脖子上的CPU过热烧毁，果然还是烧钱才能成功。
一场饭局下来，我的总结就是，先买个手电筒搞定光量子，再买一台空调，最后再找老哥弄点超导合金材料，一个量子计算机的模型就做好了。嗯，一定是这样的。
