先从一个会“振荡”的电路说起
在碰任何“量子”的东西之前，先想象一个本身就能做点有趣事情的最简单电路：一个电感（一圈线圈，用字母 L 表示）接上一个电容（两块储存电荷的极板，用字母 C 表示）。给它一点能量，它不会就这么待着——电荷会在电容和电感之间来回涌动，一遍又一遍，以某个稳定的频率往复。工程师把它叫作 LC 振荡电路，这种来回正像荡秋千的孩子，或一根被拨动的吉他弦。
有两个设计选择决定它振荡得多快：L 的大小和 C 的大小。把它们做小，电路每秒就会振荡几十亿次——落在微波频段，也就是 Wi-Fi 和你家厨房微波炉所在的那一段。这很关键，因为我们早已懂得用普通电子学去产生和操纵微波信号。在量子芯片上，这些 L 和 C 不是笨重的元件，而是直接刻在表面上的细金属线和缝隙。
一个元件改变了一切
下面就是把电路变成量子比特的诀窍。我们把普通的电感换成一个微小的特殊元件，叫作 约瑟夫森结——两块超导金属之间隔着一道薄到电流能悄悄“隧穿”过去的绝缘缝隙。你不需要懂背后的物理也能跟上故事；要紧的是它对电路做了什么。这个结表现得像一个古怪而有弹性的电感，它的“软硬”会随着电路里已有多少能量而变化。
control & readout line
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======+======
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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为什么一个“有弹性”的电感这么重要？在普通的 LC 电路里，能级阶梯的每一档都一样高，所以从第 0 级跳到第 1 级，和从 1 跳到 2、从 2 跳到 3，所花的能量都相同。而结是非线性的：它让这些横档变得不等高。现在，0 到 1 的跳跃所对应的频率，与其他任何跳跃都略有不同。这种不均匀有个名字——非谐性——而它正是这个器件变得可用的全部原因。
为什么不等高的横档让我们能“瞄准”脉冲
要把这个电路当作一个比特来用，我们始终只想要最底下的两档：第 0 级当作“0”，第 1 级当作“1”。我们靠送进一段调谐到 0-到-1 频率的短微波脉冲，在两者之间翻转。但脉冲从来不会绝对纯净——它会带有一小片邻近的频率。如果 1-到-2 的跳跃恰好落在同一个频率上，那么本想翻转 0-到-1 的同一个脉冲，也会把系统推上第 2 级，量子比特就会悄悄泄漏出我们仅能用于计算的那两个状态。
- 结让 0-到-1 的跳跃和 1-到-2 的跳跃落在明显不同的频率上。
- 我们把控制脉冲精确地瞄准 0-到-1 的频率。
- 因为第 2 级处在不同的频率上，它几乎没有反应——它“失谐”了。
- 于是脉冲只翻转 0 和 1，量子比特就留在它那个两状态的“游乐场”里。
一段表现得像原子的电路
退一步看看我们造出了什么。一个真实的原子有一架固定的能级阶梯，只在特定频率上吸收或放出光。我们这段小电路现在也是如此——只不过它的阶梯是由我们设计的，而非自然赋予；它所交流的“光”是微波，而不是可见光。工程师把这整套“电路即原子”的思路叫作 电路量子电动力学。它是几乎每一块超导量子芯片底层的框架。
能够设计这架阶梯，是这条路线的馈赠——也是它的负担。因为我们靠选择每个量子比特的 L 和 C 来定它的频率，同一块芯片上的两个量子比特可能频率太接近，于是当我们想分别寻址它们时，它们就会相互干扰。把这种情况乘以几百个量子比特，它就成了这个领域真正头疼的问题之一。所以这不是一个轻松获得强大算力的故事；它讲的是一块灵活的积木，连同它自带的、并不轻松的工程难题。