它不是一台更快的笔记本
你笔记本里的处理器，是一片由微小开关——晶体管——组成的海洋，它们要么开、要么关，干净利落地保存着 1 和 0。量子芯片则是围绕一种全然不同的原料造出来的：量子比特。一个量子比特可以同时处在 0 与 1 的混合之中，而两个量子比特还能彼此相连，让它们的命运绑在一起。叠加与纠缠这两手戏法，正是量子芯片被设计来安放和守护的东西。
下面是那句诚实的标题，请你把它带在身边走完整条阶梯：量子芯片不会取代你的笔记本，而且在日常工作上它要差得多。它没法上网、没法播视频，连把一列数字加起来都比最便宜的手机更费劲。它是一件专用仪器，只瞄准极少数几类问题——在那些问题上，量子比特的怪异规则也许有朝一日能帮上忙。而即便在那里，今天的芯片也还太小、太吵，在任何真正有用的事情上都还赢不过一台好的经典计算机。
芯片上究竟有些什么
把一种常见的量子芯片放大来看，你找不到向大自然借来的原子——你看到的是一只人造原子，由金属刻画在一片叫做衬底的平整晶体薄片上。量子比特就是一个个小电路；在每个旁边，都配着一位叫做读出谐振器的小伙伴，让工程师能问一句「你现在是 0 还是 1？」，又不至于把那娇弱的状态撞碎。耦合器坐落在量子比特之间，负责把它们的连接开开关关；而细细的控制线从边缘一路伸进来，捎着用来操控一切的信号。
+-------------------------------------------+ | QUANTUM CHIP (top view, simplified) | | | | [Q]==coupler==[Q]==coupler==[Q] | | | | | | | (R) (R) (R) | | | | | | | --+------ control / readout lines ---+-- | | | | [Q] = qubit (R) = readout resonator | +-------------------------------------------+
让一个金属电路表现得像一颗原子——拥有整齐、分立、可以标上 0 和 1 的能级——靠的是一个微小的元件，叫做约瑟夫森结：两块超导体，中间隔着薄如纸的一道缝。它是芯片上唯一能把电路的「能量阶梯」掰弯的部件，让最低的两级与其余各级间距不同，于是工程师可以只去寻址那两级，把其他的都晾在一边。少了它，这电路就只会像一个普普通通、乏味无趣的振荡器。我们会在专门的一篇里好好认识这个结。
为什么它非得这么冷
量子态很容易被杂散的热、振动和电噪声毁掉——哪怕只是房间里那一点微弱的暖意，对一个量子比特来说都是一场风暴。所以一种常见的芯片，被栓在一台高高的冰箱底部，冷却到比绝对零度高出几千分之一度（几个毫开尔文，millikelvin），比深空还冷。那样的极寒，让金属进入超导状态，也把噪声压得够低，好让量子比特把一个量子态守住短暂而宝贵的一瞬。
300 K room temperature --- control electronics
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~4 K --------------------- attenuators, amps
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~0.1 K --------------------- more filtering
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~0.01 K ===================== THE QUANTUM CHIP
(millikelvin, coldest stage; colder than deep space)这正是为什么新闻图里的「量子芯片」会让人误会：芯片本身只有指甲盖大小，但它没法独自工作。它需要一台房间那么大的制冷机、一柜柜控制电子设备，还有一整片经过精心滤波的连线森林——每个量子比特要配一根、甚至好几根线。随着芯片变大，光是把足够多的连线送到最冷的那一级、又不至于把它「煮热」，就成了整个领域里最难的问题之一；你会听到它被叫作「布线瓶颈」。
小、吵，而且远未完成——说句实话
我们到底走到了哪一步？今天的芯片，从寥寥几个到几百、上千个量子比特不等，而且每一个都很吵：一个量子比特会在不到一秒的极小一段时间里就忘掉自己的状态，许多操作也都带着小小的误差。我们把这整个时代标记为 NISQ——含噪声中等规模量子。这是个诚实的名字。这些芯片是真实的、也在飞快进步，但它们是「中等规模」且「含噪声」的，还不是完工的机器。
同样值得把话说明白的是：还没有哪一种配方胜出。我们上面勾画的那种芯片用的是超导量子比特，但别的团队会用囚禁的离子来造量子比特，用激光束擒住的单个原子，用硅里的电子，或者用一颗颗光的粒子。每一种都有实打实的长处，也有实打实的头疼之处，谁都还没明显领先。那些「造得出来」的问题——良率、频率拥挤、把成千上万根线接进去——才是大量硬核工程真正落脚的地方，也是这条阶梯将要花时间细讲的所在。