随着量子技术的成熟，使实体架构更有效率且可商用化的动力不断加速。就目前而言，软体方面已经取得了很大进展，但实体架构需要很长时间才能达到商业准备状态，因此，不会很快看到它在我们的电脑中使用。

实体基础设施正在尝试多种方法。光子的纠缠最受关注，人们对在量子计算技术中使用半导体材料纠缠和传输量子位元（qubit）感兴趣。然而，光子并不是创造和纠缠量子位元的唯一方法，还可以使用电子和极化原子。除了半导体光子基础设施之外，设计人员还正在创建基於电子的量子位，并透过超导电路传输其中保存的资料。

什麽是超导电路？

图一 : 超导材料表现出特定的奈米级量子效应，这些效应共同建构出一个电路。

超导电路是一种特殊类型的零电阻电路，由於超导材料电子轨道中的价带和导带重叠，超导材料具有零电阻，而这种无摩擦的电子传导可以利用到电路中。

超导材料

超导材料与半导体一样是量子电脑的先进架构之一。这些电路中超导性的存在是一个关键的宏观特性，这是由於电路中的各个材料成分所产生的。超导材料表现出特定的奈米级量子效应，这些效应共同建构出一个电路，电流可以在没有任何电阻的情况下通过。

从根本上讲，超导材料的功能是由於材料中的亚原子相互作用而产生的。在这个层次上，电荷载子形成单一量子态，称为量子阱（也可以称为势阱）。在这些量子阱内，电子受到物理限制。然而，即使电子受到物理限制，它们也不一定受到电子限制。

如果每个量子阱与任何其他量子阱隔离，那麽它将受到电子限制。然而，电子可以隧道，因此即使它们在物理上位於一处，它们的波函数也可以延伸到它们的物理范围之外，并且超出量子阱。因此，如果量子阱彼此靠近，那麽每个受限电子的波函数可以重叠并相互连接。当量子阱内的电子连接起来时，电子电流可以在它们之间通过而没有任何电阻，因为量子态之间的电阻为零。这是一种超导电流，可用作超导电路的基本机械构件。

虽然这些电路的特性是有益的，但只有某些材料表现出这些特性，并且能够以更受控制的方式引导超导电流的材料仍然较少。正因为如此，奈米线已成为超导电路最有前途的选择之一。

由於奈米线是一维（1D）材料，因此电子在量子上被限制在两个空间维度中。这意味着电子可以在一个空间维度上隧道，从而允许电流沿着一个方向流动，就像经典电路一样。为了像经典电路一样有效和发挥作用，需要利用和控制这种超导性这就是不同的量子组件发挥作用并创建功能性超导电路的地方。

建构超导电路

超导电路被视为在量子通道周围传输超导量子位元的低功耗选择，并被视为潜在的技术建构模组之一。就基本架构和设定而言，半导体电路与经典电路类似，并且仍然需要经典设定所需的许多元件，包括电源、开关、闸、量子记忆体、读出器等，这些元件可以建构为积体电路和形成可以为量子操作提供动力的超导晶片。主要区别在於这些组件需要能够处理、传输和通讯量子位元而不是经典位元。

除了不同的元件之外，已经实现的许多不同类型的超导量子位元也可用於建构超导电路。这些是相位、电荷和通量量子位，并且正在建构的系统包括一个和多个量子位元系统。这些电路仍处於起步阶段，但正在开发新的方法来控制和操纵这些电路，以便它们能够存储和传输资料，一系列磁场、电场和高能电子注入都在试图实现这一目标，使得超导晶片能够以类似於经典设定的方式运行。

超导电路中的许多不同组件类似并试图反映其经典对应组件的效果，但具有运行量子演算法（例如开关）的能力。超导量子电路的一个显着特徵是使用约瑟夫森结（Josephson junction），因为正常的导电电路中不存在这种结。约瑟夫森结是两根超导线之间的弱连接（由绝缘体制成），电子可以从一根导线隧道传输到另一根导线。约瑟夫森结允许两侧的波函数变得连续，并防止任何电流超过临界电流。因此，约瑟夫森结在许多超导晶片设计以及不同的量子组件中都很重要。

超导电路的优点和缺点

图二 : 目前使用半导体电路作为量子技术的基本建构模组有许多优点。（source：IQIM）

量子技术理论化的每种架构都有其固有的优点和缺点。这包括广为人知的光子系统以及超导电路。随着每种技术的发展，随着新发展和新挑战的到来，不同的优点和缺点也会发生变化，所以这不太可能是一个静态的话题。

就目前而言，使用半导体电路作为量子技术的基本建构模组有许多优点。一个优点是在量子位元方面，因为这种纠缠方法可以产生强耦合的量子位元，并且可以产生单量子位元和多量子位元系统。此外，超导量子位元的量子位势是可以控制的，并且单一量子位元的性质可以用来建构一组「通用」量子闸。

就缺点而言，通过约瑟夫森结的电流往往非常小，并且可能会受到杂讯的影响，因此需要做更多的工作来降低杂讯水平，因为这对於半导体电路很重要。除此之外，超导电路的另一个缺点是它们的相干性受到约瑟夫森结穿隧势垒中缺陷的限制，并且装置的制造会影响量子位元叁数，因此在制造时需要小心以确保量子位叁数不要变化太多。

这些系统作为完整电路的主要优点之一是，科学家和工程师可以像经典电脑一样将它们制造到晶片上。因此，这些晶片具有可扩展的潜力。然而，这些超导晶片仍有工作要做，以控制和互连组件，而不需要在晶片上添加额外的层（使它们变得更笨重）。虽然这在目前只是被视为优势，但一旦解决了一些晶片整合问题，这就是未来的潜在优势。

结论

众所周知，超导电路和其他量子架构距离量子运算的商业可行性还有一段距离。然而，如果你看看过去两、三十年经典计算系统的发展，那麽认为基本量子电脑即将到来并不是没有道理的特别是考虑到它们的工作量并且再过二、三十年，我们就可以拥有高性能的量子电脑。

超导电路提供了在量子通道中促进超导量子位元（来自电子）的潜力，并且与基於光子的架构相比具有不同的优势和挑战。未来几年，这两种领先架构中的哪一种将脱颖而出，我们是否会看到使用这两种架构的量子系统，或者在此过程中是否会出现其他东西，将会很有趣。

（本文由贸泽电子提供；作者Liam Critchley为欧洲奈米技术工业协会（NIA）高级科学传播官员及美国国家石墨烯协会（NGA）顾问委员会成员）