约瑟夫森结

约瑟夫森结是两块超导体中间夹着一层极薄的绝缘层，薄到成对的电子可以悄悄隧穿过去而不产生电阻。它是超导量子芯片中最关键的一个部件：它是唯一一种既能储存和释放能量却几乎不以热的形式把能量耗散掉、同时又表现出非线性的电路元件。正是这种组合，让我们能从一个电路里雕刻出一个干净的量子比特。

两条简单的关系描述了它。流过结的电流取决于两块超导体之间的相位差 phi，即 I = Ic sin(phi)，其中 Ic 是它能承载的最大电流。而只要结两端存在电压 V，相位就会随时间累积，即 V = (hbar / 2e) dphi/dt。因为电流随相位呈正弦变化而不是直线，结就像一个电感值会随通过电流改变的电感。普通的线圈或电容给出的是等间距的能级，像一架每根横杆都一样的梯子，没什么用；而结的非线性把横杆挤得疏密不均，使最低的两个能级与其余能级的间距不同。于是你可以只驱动这一个跃迁而忽略其余的，这一对能级就是你的量子比特。

麻烦在于，量子比特的频率取决于 Ic，而 Ic 又由氧化层势垒的厚度决定，精度要细到几个原子。制造上的微小差异会让每个结的频率发生偏移，在拥有许多量子比特的芯片上，这些频率就会开始相互碰撞。要在整片晶圆上把结做得既准确又可重复，是当今构建更大规模量子处理器最棘手的未解难题之一。