并非所有的量子位都很小

而金刚石氮空位中心提供了一个有吸引力的量子量子比特的实现，许多其他系统已经被提出。至少在理论上，任何具有清晰可识别量子态的系统都可以达到这个目的。挑战在于找到一个系统，在这个系统中，这些状态可以被外力操纵和测量，并且可以被制造出足够大的数量来进行实际计算。

集成电路制造技术非常适合薄膜结构的大批量生产，事实上，研究人员已经研究了基于半导体量子点的量子比特。然而，正如在氮空位中心的讨论中所看到的，扩展到依赖于短距离相互作用的大量非常小的电路元件是有问题的。另一种方法，在这篇文章中讨论，寻求开发超导体的宏观量子行为。

在超导体中，在某个临界温度以下，所有电阻都消失。在超导状态下，导电电子形成有序的电子对，称为库伯对．当晶格振动仍然存在时，它们有效地推动电子前进，而不是阻碍电子的前进。超导的物理学超出了本文的范围，但它有许多与潜在的量子位器件相关的含义。例如，在过渡到超导状态时，磁场从材料中被排出。此外，任何通过超导材料环的磁通量都是量子化的:外部通量和环内电流诱导的通量的组合将是的倍数磁通量量子（h/ 2e）.

由于超导体没有电阻，只要维持临界温度，回路中产生的电流将无限期地持续下去。此外，这种行为与环路的物理尺寸无关:它的直径可能是几微米，也可能是几米。超导线圈被用于制造世界上最强大的磁铁。

这些行为源于超导的本质:库珀对的形成，一种量子现象，发生在宏观尺度上。然而，实现量子比特需要某种非线性元素。需要存在多个能级，它们之间的非线性间距是区分所选基态(|0>和|1>)与系统的其他能态的必要条件。在超导体中，这种非线性元素是约瑟夫逊结．

约瑟夫森结增加了非线性

约瑟夫森结只是两根超导导线之间的弱链接，比如一层AlO₂在两个铝段之间。它必须足够薄以允许量子隧穿，势垒高度由绝缘体的介电特性和厚度决定。超导量子比特通常由铌、铝或相关合金制成，临界温度为10开尔文(-263°C)或更低。临界温度高达138 K(-135°C)的超导体确实存在。对于许多应用来说，较高的临界温度是可取的，因为它们降低了冷却成本。然而，对于量子位来说，有必要消除尽可能多的潜在噪声源。大多数被提出的量子位，无论是否超导，都在毫开尔文的温度下工作。

的最简单的超导量子比特设计是连接约瑟夫森结到电感器的环路。将正弦磁脉冲施加到电感器上，在环路中诱导一个持续电流，该电流以顺时针和逆时针方向叠加流动。该设备是RF-SQUID，具有良好的特性，并用于需要极其灵敏的磁场测量的商业应用。它是一种宏观器件，因为电感和绝缘屏障厚度等参数没有量子化:它们可以在电路设计和制造过程中调整到任何方便的值。

在某些方面，这种灵活性是一种福音。rf - squid不需要原子级沉积、最先进的光刻或其他纳米级工艺步骤。典型的尺寸在微米量级。另一方面，器件面临所有相同的来源的过程变化，任何其他模拟薄膜电路元件。电介质厚度和纯度、金属尺寸等可能因设备而异。这反过来又会导致电感和隧穿势垒高度的变化，这是定义量子位行为的两个关键参数。

不同的观点:能量和通量

更准确地说，如第1部分在这个系列中，任何量子比特必须有两个明确定义的状态，|0>和|1>。这些状态的物理解释取决于所使用的系统。在基于金刚石中氮空位中心的量子比特中，状态是由与中心相关的电子的能级推导出来的。在基于约瑟夫森结的量子位中，有两组可能的基态，在更详细地R. Harris和他的同事在递波系统．

基本RF-SQUID的哈密顿量可以写成:

问在哪里_问电荷在结C处积聚吗_问为结电容，V(φ_问)为通过结的相变的势能函数。对于适当选择的器件参数，势能将是双稳的，在两个局部最小值之间有一个势能势垒。|g>和|e>这两种状态构成了量子比特的“能量”基础。

或者，“通量”基使用能量本征态的对称和反对称组合:

而且

基的选择不会改变量子比特的底层物理:两种基态描述了相同的器件，以相同的方式表现。然而，基的选择确实对周围计算系统的设计有影响。使用能量基有助于长相干时间，因为所涉及的能量状态在噪声面前是相对稳定的。然而，通量基础提供了两个重要的设计优势。首先，因为它不依赖于对能态的操纵，所有的计算都可以在系统处于热力学有利的基态时进行。其次，通量基的使用促进了通过感应(一种特别方便的控制和读出机制)对量子比特状态的操纵。

不幸的是，系统中存在的电感受工艺变化的影响，使得使用通量基的计算更加敏感。Harris和同事讨论了对基本RF-SQUID设计的修改，该设计可以补偿过程变化，同时仍然保持系统的量子特性。

图:D-Wave系统处理器的单元格，显示量子位数组。图片由D-Wave系统公司提供

系统中还有其他噪声源。对于一个在毫开尔文温度下工作的系统来说，热量就是其中之一。虽然该系统的超导元件是无损的，但工作电路还需要电阻、电容器和其他常规元件。它们会消耗能量，导致局部升温。导热系数随温度的升高而降低;系统在接近绝对零度时不能很好地散热。局部加热会增加噪声，降低量子叠加态。更糟糕的是，它可能对系统的健康和可靠性造成危害。从正常行为到超导行为的转变是不连续的;刚好高于临界温度的正常状态电阻可能很大。 If the critical temperature is exceeded, the sudden transition to the normal state can cause potentially damaging thermal and mechanical stress.

通量基也提供了一个重要的算法优势。量子比特可以被视为相互作用的磁自旋的集合，物理学家称之为Ising自旋玻璃．大多数关于实际量子计算算法的讨论都假设了基于门的计算，类似于传统的数字逻辑。然而，正如D-Wave Systems的首席科学家Eric Ladizinsky所解释的那样，Ising模型基本上是一个热力学优化问题。因此，它可以用来描述各种具有相互作用组件的系统，从气-液相变到城市隔离等社会现象。这里所描述的超导量子比特系统不仅模拟了Ising自旋玻璃是第一，有可能为这类问题提供一个计算上优雅的解决方案。D-Wave Systems的研究人员将这种方法描述为“绝热量子优化(AQO)处理器”。D-Wave声称，AQO实际上已经在商用硬件上实现，而基于门的计算系统还没有实现。本系列的下一篇也是最后一篇文章将讨论这两种方法在算法层面上的不同之处，以及它们各自的优缺点。