量子计算与超导量子计算机
专
量子计算与超导量子计算机
王吉林，刘建设 ，陈培毅
(清华大学 微 电子学研究所，北京 100084)
摘要 ：量子计算是一种基于量子力学相干叠加原理的新型计算体系，具有超越传统计算体系的优
越性能。超导量子计算 因为其在规模可扩展性方面的潜力而得到广泛的重视 。超导约瑟夫森结是
超导量子计算机方案中的关键器件，可用来控制超导体 中的宏观波函数。阐述 了量子计算的发展
和优势，介绍 了约瑟夫森结的原理以及三种超导量子比特的特性 ，并分析 了面临的挑战。
关键词：可逆计算 ；量子计算；宏观量子效应 ；约瑟夫森结 ；超导量子比特
中图分类号 ：0511；024 文献标识码 ：A 文章编号 ：1671—4776 ()06-0321—06
Quantum ComputationandSuperc0nductingQuantum Computer
WangJilin，LiuJianshe，ChenPeiyi
(InstituteofMicroelectronics，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)
Abstract：A quantum computation system isflnew computation system utilizing thequantum
coherenceandsuperpositionprincipleand itsperformanceexceedsitsclassicalcounterpart．The
superconductingquantum computationisanimportantapproachbecauseitisascalablescheme．
SuperconductiveJosephsonjunctionisthekeydeviceofsuperconductingquantum computationto
manipulatethemacroscopicwavefunctionin superconduct0rs．Theevolutionhistoryandadvan—
tageofthequantum computationarereviewed．TheprincipleofJosephsonjunctionandcharac—
teristicsofthreekindsofsupercondcutingqubitsareintroduced．Thefacingchallengesofsuper-
conductingquantum computerschemeareanalyzed．
Keywords：reversiblecomputation；quantum computation；macroscopicquantum effect；Jo—
sephsonjunction；superconductingqubit
DOI：10．3969／j．issn．1671—4776．．06．001 EEACC：6150；3240C；2560H
R．Landauer[1考虑 了计算 中的物理过程后指出计
0 引 言
算过程并非必然消耗能量，能耗产生于计算过程中
计算机 的能耗一直是一个关键 的工程问题 ，直 的不可逆操作。例如 ，对两比特的异或操作 ，只有
至今 日微电子技术已经十分发达的条件下，大规模 一 比特的输出，另外一个 比特被丢弃。这个被丢弃
的计算机和数据 中心仍然消耗着非常惊人的功率 。 的比特 ，其存储器将被清零备用 ，这是一个不可逆
在千方百计地采取工程手段降低能耗的同时，能耗 操作，能耗即产生于此。因此只要能够消除计算过
产生的物理机制很早就引起 了人们的
