超导量子计算核心器件，是量子计算的关键。它以其独特的超导性质，为我们打开了探索量子世界的大门。
算力是数字经济时代新的生产力。量子计算基于量子力学的规律进行计算，人们普遍相信它可以在不久的将来在某些问题上完成经典计算机所无法完成的计算任务，实现量子优越性。作为最有可能实现通用量子计算的平台之一，以约瑟夫森结为核心元件的超导量子比特，在量子控制和量子测量方面具有稳定、可靠、便于设计和扩展等独特的优势，受到科学界甚至产业界的广泛关注，正在高速发展。文章围绕约瑟夫森结这一具有非线性和无耗散特征的超导量子器件，阐述了超导量子比特的基本原理及结构特征，重点介绍超导量子芯片设计、加工方面的前沿进展，并对未来发展方向进行简单的展望。
现代信息社会的进步离不开计算机芯片日新月异的发展。在20世纪50年代左右，科学家们找到了一种性能优越、成本低廉的芯片计算单元——硅。此后按照摩尔定律，晶体管集成度每18个月增加1倍，造就了蓬勃发展的数字经济时代。如今集成电路芯片最先进的制程已经实现3 nm并开始迈入2 nm制程。在该尺度下，材料中微观原子的量子效应成为芯片继续发展的瓶颈，导致摩尔定律不再适用。于是，人们开始寻找新的计算方式，其中就包括量子计算。
区别于经典计算机芯片中的计算单元是用晶体管的两种不同状态实现0和1的二进制编码计算操作，量子芯片中量子比特是依据量子态可以处于0和1的相干叠加状态，进行量子操控。根据量子力学原理，N个比特就可以对2N个叠加的数同时进行并行运算。量子芯片独特的性质预示着量子计算在数字经济时代有着潜在的巨大优势。如今，面向大规模集成的量子芯片也在寻找属于自己的“量子晶体管”，基于约瑟夫森结的超导量子比特就是最有希望的候选者之一。
超导量子计算发展至今已有二十余年，得益于在芯片设计、加工制备和测试封装等方面的独特优势，已在随机线路采样方面实现了量子优势[1，2]。特别地，以谷歌和IBM为代表的提出：在近十年内构筑百万比特量级的超大规模超导量子处理器，最终实现以量子计算为中心的超级计算。此外，其他传统科技公司如阿里巴巴、华为、腾讯，或初创公司如Rigetti、IQM、量旋、本源量子等也加入到超导量子计算这一赛道。超导量子计算初步形成产业链雏形，带动着上下游产业的发展。然而，要实现通用量子计算机，超导量子比特依然面临着相干时间不够长、测控精度不够高、扩展规模不够大等挑战。本文将从超导量子芯片的基本结构出发，简要介绍超导量子比特的基本原理和特性，解析超导量子比特在优化结构设计、改进扩展封装和提高测控技术等方面的发展现状，评述超导量子比特在实现通用量子计算过程中所具有的独特优势以及面临的挑战。
超导量子比特可以作为“量子晶体管”的候选者，其核心器件是具有非线性、无耗散特点的约瑟夫森结。如图1(a)所示，约瑟夫森结的经典结构是S(超导体)—I(绝缘层)—S(超导体)“三明治”结构。目前在超导量子比特中，常用的约瑟夫森结以金属铝为超导材料，铝的氧化物为绝缘层，具有工艺加工简单、稳定等特点。
图1 约瑟夫森结的结构及原理 (a)约瑟夫森结的“三明治”结构示意图，包括两层超导体和中间很薄的绝缘层。超导体中库珀对凝聚的量子基态用波函数ψLR表示;(b)在偏置电流Ib作用下，约瑟夫森结等价于一个质量为m的“人造原子”在势能U中运动。当Ib≪Ic，“原子”被很好地囚禁在单个势阱内，具有不等间距的量子能级。当Ib接近于Ic时，“原子”将因为量子隧穿等逃逸出势阱;(c)理想约瑟夫森结一般用“×”表示，可以等效为非线性电感Lj，实际中还包含一个电容Cj;约瑟夫森结在电路图中通常用(d)图的符号来表示;(e)由两个约瑟夫森结形成环路的DC-SQUID结构示意图
根据BCS理论，超导体中的电子会结成库珀对，凝聚到一个宏观基态，可以用波函数ψLR(t)=nLR(t)eiϕLR(t)表示，其中概率幅nLR(t)的模平方正比于库珀对密度，ϕLR(t)是规范相位。该结构的中间绝缘层大约在1—3 nm，两端超导体之间形成一个弱连接，所对应的波函数有交叠，库珀对可以量子隧穿通过绝缘层，在约瑟夫森结中形成超导电流I。这种结构中会出现两种现象[3，4]。
(1)直流约瑟夫森效应。当外加电压V=0，且电流小于临界电流Ic，绝缘层两端始终保持零电压现象，整个系统则一直处在无电阻状态，并且超导电流满足关系式I=Icsinφ，这里相位是绝缘层两侧超导体波函数之间的相位差φ=ϕR-ϕL。
(2)交流约瑟夫森效应。在约瑟夫森结两端施加直流电压V，此时超导相位φ会随着时间发生变化，结两端电压的关系满足
，其中Φ0=2.0678×10-15 Wb为磁通量量子。由直流约瑟夫森关系，绝缘层两端超导体中的库珀对隧穿电流变为高频交变电流，频率与施加的直流电压成正比。
。不同于普通器件的电感系数是一个恒定值，约瑟夫森结等效的电感会随着绝缘层两端超导体相位变化而非线(b)所示，可以通过调控超导相位实现系统特殊能级结构的设计，再依据调控特定的参数(如环路磁通、超导相位、库珀对数目等)，实现超导量子比特。
此外，“三明治”结构本身会有一个电容Cj产生，如图1(c)所示(通常简化为图1(d))，约瑟夫森结可以看作是一个非线性电感Lj并联电容Cj的LC振荡电路系统。在超导量子芯片中，通过经典的电路分析建立起系统的拉格朗日量，再通过引入正则量子化，根据量子力学可以研究整个系统的量子行为。值得注意的是，如图1(e)所示，当两个约瑟夫森结并联形成环路时，可以构成直流超导量子干涉器件(DC-SQUID)。如果引入一个外部磁通Φext，环路中磁通量的变化将改变DC-SQUID等效的电感大小。这样的特征使得DC-SQUID在超导量子计算和弱磁信号探测等方面有着丰富的应用[5—10]。
一般来说，超导量子比特有三种基本类型：电荷比特、磁通比特和相位比特。这是由于实现量子比特的宏观物理量分别是库珀对数目变化、环路超导电流方向和偏置电流大小(即相位φ大小)。三种类型的超导量子比特需要设计相应的电路结构实现特定的约瑟夫森能Ej、电荷能Ec和电感能El。接下来，我们将具体介绍三种量子比特的基本特征。
(1)电荷比特。首先是日本电气股份有限公司(NEC)的研究人员在1999年从实验上观测到量子态的相干振荡[11]。该比特也被称为库珀对盒子(Cooper-pair box)，如图2(a)所示，是单独的一个约瑟夫森结，其中一端接地，另一端通过栅极电容Cg耦合外部信号源，可以调节栅极电压Vg，以改变栅极电容上感应的极化电荷ng=CgVg/2e。该比特的约瑟夫森结要足够小，整个系统的电荷能
远大于约瑟夫森能Ej，没有电感能，即Ej/Ec≪1，El=0。其中，n为超导岛上的库珀对数量，是一个离散的变量。相邻的库珀对数目状态
。虽然n是一个整数，但ng是一个连续变量，通过改变栅极电压控制超导岛上库珀对数目的变化，实现比特状态的控制。在实验中，电荷噪声影响ng导致很难实现长的相干时间。在当时的实验条件下，量子态相干时间仅有纳秒量级。2002年，通过设计更大的约瑟夫森能Ej/Ec≃1，对电荷比特在控制和读取方面做了改进，在噪声不敏感点做量子操控，实现超导电—磁混合量子(quantronium)比特[12]，相干时间达到微秒量级。
图2 常见的超导量子比特类型 (a)实验上首次实现电荷比特的库珀对盒子[11];(b)实验上实现超导磁通比特的照片及其调控示意图[17];(c)实验上观测到的相位比特的相干振荡，其中Ω1和Ω2代表量子态相干振荡圆频率[20];(d)实验上实现准电荷比特的样品图，左上图片是等效电路图[25]
(2)磁通比特。最初源于Leggett在1984年期间提出[13，14]用射频超导量子干涉器件(RF-SQUID)来观测磁通态之间宏观量子相干振荡，2000年Friedman等人在实验上观测到了量子相干叠加[15]。但是受到关注的磁通比特是1999年代尔夫特理工大学的研究团队理论上提出[16]，在2003年实验上实现[17]的超导恒流(persistent-current)量子比特，如图2(b)所示。它是由包括一个小的约瑟夫森结和两个大的约瑟夫森结的超导环路组成，约瑟夫森结的作用是形成一个大的等效电感代替几何电感，减小了整个电路的面积，从而降低环境对量子比特的影响，增加相干时间。此时系统满足条件El/Ej~1，Ej/Ec≫1。将环路中电流的顺时针和逆时针方向定义为量子比特状态，通过控制环路超导电流的方向实现对量子比特的操控。由于比特对磁通噪声很敏感，稍微远离最佳位置，磁通比特的相干时间就会显著缩短[18，19]。
(3)相位比特。该比特由一个较大的约瑟夫森结组成，使系统满足条件Ej/Ec远远大于1。不同于电荷比特中库珀对数目的变化和磁通比特中环路电流的方向定义量子比特，该比特只需要调控很小的超导电流变化，即可以用约瑟夫森结两端的规范相位φ变化描述该系统，所以被称作相位比特。如图2(c)所示，相位比特首先在2002年由美国堪萨斯大学研究团队实验上观测到微秒量级长时间的相干振荡[20]，之后加州大学圣巴巴拉分校的研究团队也观测到该类型比特的相干振荡[21]。这种比特可以调控出一个亚稳势阱，势阱内只有几个能级，将其中最低的两个能级定义为量子态
。势阱内能级越高的占据数，发生隧穿的概率越大。然而，与其他比特不同，当占据数离开亚稳态势阱时，作为计算基矢的希尔伯特空间被破坏，因此该比特显著的缺点是不适合非破坏性测量。相应地，它的优点是由于隧穿效应，量子态测量的信噪比很高。
在21世纪初，电荷比特、磁通比特的相干时间都很短，相位比特虽然相干时间相对较长，但是在量子态测量方面有着天然的缺陷。在此基础上，结合电路量子电动力学的发展[22—24]，人们通过优化微纳加工工艺和调整电路结构，设计出很多种目前广泛应用的超导量子比特变体。值得注意的是，在2020年，马里兰大学的研究人员通过设计特殊的高阻抗器件，如图2(d)所示，在系统满足El/Ej~1/100，Ej/Ec~1条件下，找到了准电荷(quasicharge)这一宏观物理量描述该系统，实现了第四种类型的布洛赫量子(blochnium)比特[25]。相对于其他类型的超导量子比特，目前该比特对样品加工设计要求苛。
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