超导：一个人造原子

一块几毫米见方的电路，被冷到 10 mK 量级——比宇宙微波背景还冷。它的行为却像一颗原子：只有离散的能级，只能用特定频率的微波去拨动。

从 LC 振荡器到人造原子

LC 振荡器量子化之后是谐振子，能级严格等间距：$E_n=\hbar\omega(n+1/2)$。等间距是麻烦：频率为 $\omega$ 的微波会同时驱动 0→1、1→2、2→3，你没法只跟最低两个能级说话。

约瑟夫森结把等间距破坏掉。它引入一个非线性电感，使相邻能级间距不再相等，间距之差（非谐性）在几百 MHz 量级。只要微波脉冲的频谱宽度小于这个差，就可以只驱动 0↔1，把更高能级晾在一边。超导量子比特 的基本设计就是这样：拿非谐性换一个可寻址的二能级系统。

顺带的好处是快。门时间在几十纳秒量级，因为耦合强；制造工艺则借了半导体产业的产线。

微波、腔与 10 mK

控制靠几个 GHz 的微波脉冲。读出靠旁边的谐振腔：比特处于不同状态时，腔的共振频率有微小移动，反射微波的相位随之不同，测这个相位就知道结果。

为什么非要 10 mK？热激发的概率由 $k_BT$ 与 $\hbar\omega$ 的比值决定：5 GHz 的光子对应约 240 mK 的温度，环境在 10 mK 时，热激发概率被压到 $10^{-10}$ 量级（$e^{-24}$），比特才基本待在基态。稀释制冷机做的就是这件事，它还得把微波线上的热噪声挡在外面。

代价在连线与串扰。每个比特都要控制线，比特一多，布线、串扰、介质损耗一起上来，相干时间 停在百微秒量级，T₁ 与 T₂ 都是如此。