量子晶片工廠 SEEQC 的 Adam Weiss 設置了一台稀釋製冷機。
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我喜歡 20 世紀 80 年代的許多東西，從英國重金屬的新浪潮到那個時代化妝師喜愛的濃紫色腮紅。但在所有的頭髮、噪音和魅力中，有一些被忽視的超級明星：超導電路。 1980 年，電腦巨頭 IBM 押注於這項技術，希望能創造出具有革命性意義的高效能電腦。同年5月，某科普雜誌 科學美國人 我甚至在蓋子上放置了一個超導電路。
但革命從未發生。超導電腦晶片似乎已經讓位給燙髮和抽繩褲。然而，有一家公司仍在繼續這項研究。我最近參觀了 SEEQC 位於紐約州北部的總部和量子晶片工廠，該工廠的部分發展源於 IBM 已關閉的超導運算專案。在那裡，我了解到該公司希望超導晶片能夠在下一次技術革命（這次是量子電腦）中發揮作用。
在SEEQC製造工廠，我周圍都是大型機器和穿著防護衣的技術人員。在其中一些無塵室中，超導金屬鈮的超薄層被重複且小心地沉積到介電材料層上，形成薄的三明治狀結構。其他光刻設備使用光在這些結構上寫入複雜的圖案，使每個微小的凹槽和凹槽對於使其工作的量子過程都很重要。整個地板都嗡嗡作響，一切都沐浴在黃光中，據我所知，黃光對晶片製造過程的干擾比其他顏色要少。當我們在相鄰的會議室聊天時，SEEQC 執行長 John Levy 遞給我該公司超導晶片的一個版本，令我驚訝的是，對於一款旨在顛覆本已未來的行業的設備來說，它的體積如此不起眼，四四方方。
我們要解決的問題
超導體以完美的效率傳輸電力，這使得它們與我們在電子產品中常用的所有材料截然不同。當您插入手機充電時，電源線或充電器通常會變熱，從而減少手機的可用電量。這種情況的發生程度如此之大，以至於計算機科學家邁克爾·弗蘭克 (Michael Frank) 在 2017 年寫道：“典型的計算機本質上是一個昂貴的電加熱器，其副作用是執行少量計算。”
具有超導元件的計算機不會有這個問題。但有一個問題：所有已知的超導體都必須保持非常寒冷或承受極高的壓力才能運作。這意味著超導電腦必須始終保持溫度僅比絕對零度高幾度。從歷史上看，這已被證明過於昂貴且不方便。 IBM 於 1983 年停止了對超導運算的研究。傳統的發熱計算機取得了勝利，但矛盾的是，計算的能源成本卻只增不減，如今的能源成本飆升，很大程度上是由於人工智慧的蓬勃發展。
然而，幾十年後，超導體又重新回到人們的焦點。 1999 年，日本的一組研究人員創建了第一個超導量子位元（qubit），它是量子電腦的基本建構模組。這與研究人員十年前嘗試做的事情有根本的不同。他們沒有使用超導材料複製常用的計算，而是打開了一種全新的計算方式的大門，其設備使用任何傳統計算機中都沒有的機制處理資訊。
從那時起，量子計算已經取得了長足的進步，超導量子位元在這一進步中發揮了作用。 Google和 IBM 正在使用它們為當今一些最強大的量子電腦提供動力，這些設備已經開始解決科學上有趣的問題，並取得了令人鼓舞的成功。一些展示相對於經典電腦的「量子霸權」的演示仍然沒有受到挑戰，支持了這些機器與任何以前創建的電腦根本不同的承諾。
同時，量子電腦尚未兌現其顛覆性的承諾：它們尚未破解廣泛的加密、發現新的神奇藥物或徹底改變工業化學等等。實現這些目標的道路仍然充滿技術挑戰和工程障礙。
也許部分答案可以追溯到 20 世紀 80 年代？利威爾當然是這麼認為的。他說，他的團隊正在創造數位超導晶片，可以讓量子電腦變得更大、更強大、同時更防錯。在我們的大廳裡，研究人員正在測試各種管式冰箱中的晶片，他告訴我，他們的目標不僅僅是創造另一種工具或另一種組件，而是取代目前使量子電腦笨重且低效的許多組件。
超導量子電腦的核心由充滿超導量子位元的晶片和晶片必須在其中運作的冰箱組成。從外面看，你可以看到一個漂亮的長方形盒子，通常有一個人那麼大。但這還不是全部。量子位元需要被監視和控制，需要從常規計算機向它們提供信息，並且可以讀回其計算結果。量子位元也很脆弱且容易出錯，因此它們必須運行糾錯演算法，而這些演算法需要複雜的控制來即時監控和修正許多量子位元。因此，量子電腦的非量子組件對其功能極為重要——它們佔用大量空間並消耗大量能量。在每個裝有量子位的高冰箱後面，通常還有幾個同樣高的櫃子，裡面裝滿了耗能的傳統設備。並且有許多電纜連接電腦的量子部分和非量子部分。
為了使電腦變得更強大，必須添加更多的量子位，這需要更多的電纜。 「無休止地添加電纜在物理上是不可能的，」SEEQC 首席技術長 Shu-Jen Han 表示。冰箱內部的空間不僅成為一個問題，而且每條電纜都會帶來一些熱量，從而破壞量子位元並降低其性能。量子位元如何連接、控制、連接和封裝，看似只是工程師和專家才應該擔心的技術小方面，但它已成為阻礙量子電腦進一步發展的問題之一。
我手上的SEEQC晶片可以解決大部分這個問題。
SEEQC量子晶片
卡梅拉·帕達維克-卡拉漢
它看起來就像你想像的電腦晶片一樣——小而扁平，在稍大的矩形頂部有一個金屬矩形。 Levy 解釋說，小矩形包含超導量子位元，較大的矩形是由超導材料製成的常規計算晶片，可以以數位方式控制這些量子位元。由於它們都是超導的，因此可以將它們放置在同一個冰箱中，從而無需量子電腦目前所依賴的許多室溫設備。
冰箱中不需要額外的熱量是一個明顯的優勢，但超導控制晶片的耗電量也少得多。 SEQQC預測，量子電腦的能源效率將能夠實現十億倍的提升。量子能源計畫估計，一些大型防錯量子電腦的設計將比現有的傳統超級電腦（那些佔據整個房間的龐然大物）需要更多的電力，而其中大部分電力消耗可能由經典計算組件承擔。
由於兩個晶片（執行計算的量子晶片和控制它們的經典晶片）可以彼此靠近，因此將指令傳輸到量子位元以及讀取和糾正計算中的錯誤時的延遲更少。利維也告訴我，由於晶片的訊號是數位的，因此它控制的量子位元也應該具有更少的「串擾」或使它們更容易出錯的意外相互作用。
2025 年，我與 David DiVincenzo 進行了交談，他在近 20 年前提出了創建工作量子電腦的七個條件，研究人員至今仍在遵循這些條件。他告訴我，當他想像一台有用且強大的量子電腦時，它是一個百萬量子位元的設備，可以容納裝滿設備的整個房間，更像是粒子對撞機設置，而不是筆記型電腦或資料中心的機架。 SEEQC 團隊正在努力避免這種過度的未來。電腦愛好者會想到 Mac，而不是 ENIAC。
SEEQC 團隊目前正在各種配置下測試其晶片，並使用自己的研究人員和其他量子電腦製造商的研究人員創建的量子位元。 Levy 表示，早期測試顯示出全面良好的性能，這說明了該晶片的多功能性。同時，所有測試都僅限於少量量子位，通常少於 10 個，這比該公司希望創建的實用的未來量子電腦小幾個數量級。
物理問題也隨之出現：當附近有磁場時，超導體往往會充滿微小的量子渦旋，例如用於調整某些量子位元的磁場。 SEEQC 首席科學家 Oleg Mukhanov 向我介紹了該公司為解決這個問題而開發的一種創新方法，即渦流被另一個電磁場掃走。簡而言之，我彷彿回到了在研究所學習超導物理的時代——即使是最未來的技術也無法逃脫基本量子效應的變幻莫測。
超導電路是否會上升並將我送回更遠的地方？也許是 80 年代重返量子世界的時候了，儘管我希望我們把墊肩拋在腦後。
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