先從一個會「振盪」的電路說起
在碰任何「量子」的東西之前，先想像一個本身就能做點有趣事情的最簡單電路：一個電感（一圈線圈，用字母 L 表示）接上一個電容（兩塊儲存電荷的極板，用字母 C 表示）。給它一點能量，它不會就這麼待著——電荷會在電容和電感之間來回湧動，一遍又一遍，以某個穩定的頻率往復。工程師把它叫作 LC 振盪電路，這種來回正像盪鞦韆的孩子，或一根被撥動的吉他弦。
有兩個設計選擇決定它振盪得多快：L 的大小和 C 的大小。把它們做小，電路每秒就會振盪幾十億次——落在微波頻段，也就是 Wi-Fi 和你家廚房微波爐所在的那一段。這很關鍵，因為我們早已懂得用普通電子學去產生和操縱微波訊號。在量子晶片上，這些 L 和 C 不是笨重的元件，而是直接刻在表面上的細金屬線和縫隙。
一個元件改變了一切
下面就是把電路變成量子位元的訣竅。我們把普通的電感換成一個微小的特殊元件，叫作 約瑟夫森接面——兩塊超導金屬之間隔著一道薄到電流能悄悄「穿隧」過去的絕緣縫隙。你不需要懂背後的物理也能跟上故事；要緊的是它對電路做了什麼。這個接面表現得像一個古怪而有彈性的電感，它的「軟硬」會隨著電路裡已有多少能量而變化。
control & readout line
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=== C X <- Josephson junction
| (cap) | (the nonlinear element)
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ground
ordinary inductor L --> replaced by X
result: an artificial atom on a chip為什麼一個「有彈性」的電感這麼重要？在普通的 LC 電路裡，能階階梯的每一檔都一樣高，所以從第 0 階跳到第 1 階，和從 1 跳到 2、從 2 跳到 3，所花的能量都相同。而接面是非線性的：它讓這些橫檔變得不等高。現在，0 到 1 的跳躍所對應的頻率，與其他任何跳躍都略有不同。這種不均勻有個名字——非諧性——而它正是這個元件變得可用的全部原因。
為什麼不等高的橫檔讓我們能「瞄準」脈衝
要把這個電路當作一個位元來用，我們始終只想要最底下的兩檔：第 0 階當作「0」，第 1 階當作「1」。我們靠送進一段調諧到 0-到-1 頻率的短微波脈衝，在兩者之間翻轉。但脈衝從來不會絕對純淨——它會帶有一小片鄰近的頻率。如果 1-到-2 的跳躍恰好落在同一個頻率上，那麼本想翻轉 0-到-1 的同一個脈衝，也會把系統推上第 2 階，量子位元就會悄悄洩漏出我們僅能用於計算的那兩個狀態。
- 接面讓 0-到-1 的跳躍和 1-到-2 的跳躍落在明顯不同的頻率上。
- 我們把控制脈衝精確地瞄準 0-到-1 的頻率。
- 因為第 2 階處在不同的頻率上，它幾乎沒有反應——它「失諧」了。
- 於是脈衝只翻轉 0 和 1，量子位元就留在它那個兩狀態的「遊樂場」裡。
一段表現得像原子的電路
退一步看看我們造出了什麼。一個真實的原子有一架固定的能階階梯，只在特定頻率上吸收或放出光。我們這段小電路現在也是如此——只不過它的階梯是由我們設計的，而非自然賦予；它所交流的「光」是微波，而不是可見光。工程師把這整套「電路即原子」的思路叫作 電路量子電動力學。它是幾乎每一塊超導量子晶片底層的框架。
能夠設計這架階梯，是這條路線的饋贈——也是它的負擔。因為我們靠選擇每個量子位元的 L 和 C 來定它的頻率，同一塊晶片上的兩個量子位元可能頻率太接近，於是當我們想分別定址它們時，它們就會相互干擾。把這種情況乘以幾百個量子位元，它就成了這個領域真正頭疼的問題之一。所以這不是一個輕鬆獲得強大算力的故事；它講的是一塊靈活的積木，連同它自帶的、並不輕鬆的工程難題。