隨著量子技術的成熟，使實體架構更有效率且可商用化的動力不斷加速。就目前而言，軟體方面已經取得了很大進展，但實體架構需要很長時間才能達到商業準備狀態，因此，不會很快看到它在我們的電腦中使用。

實體基礎設施正在嘗試多種方法。光子的糾纏最受關注，人們對在量子計算技術中使用半導體材料糾纏和傳輸量子位元（qubit）感興趣。然而，光子並不是創造和糾纏量子位元的唯一方法，還可以使用電子和極化原子。除了半導體光子基礎設施之外，設計人員還正在創建基於電子的量子位，並透過超導電路傳輸其中保存的資料。

什麼是超導電路？

圖一 : 超導材料表現出特定的奈米級量子效應，這些效應共同建構出一個電路。

超導電路是一種特殊類型的零電阻電路，由於超導材料電子軌道中的價帶和導帶重疊，超導材料具有零電阻，而這種無摩擦的電子傳導可以利用到電路中。

超導材料

超導材料與半導體一樣是量子電腦的先進架構之一。這些電路中超導性的存在是一個關鍵的宏觀特性，這是由於電路中的各個材料成分所產生的。超導材料表現出特定的奈米級量子效應，這些效應共同建構出一個電路，電流可以在沒有任何電阻的情況下通過。

從根本上講，超導材料的功能是由於材料中的亞原子相互作用而產生的。在這個層次上，電荷載子形成單一量子態，稱為量子阱（也可以稱為勢阱）。在這些量子阱內，電子受到物理限制。然而，即使電子受到物理限制，它們也不一定受到電子限制。

如果每個量子阱與任何其他量子阱隔離，那麼它將受到電子限制。然而，電子可以隧道，因此即使它們在物理上位於一處，它們的波函數也可以延伸到它們的物理範圍之外，並且超出量子阱。因此，如果量子阱彼此靠近，那麼每個受限電子的波函數可以重疊並相互連接。當量子阱內的電子連接起來時，電子電流可以在它們之間通過而沒有任何電阻，因為量子態之間的電阻為零。這是一種超導電流，可用作超導電路的基本機械構件。

雖然這些電路的特性是有益的，但只有某些材料表現出這些特性，並且能夠以更受控制的方式引導超導電流的材料仍然較少。正因為如此，奈米線已成為超導電路最有前途的選擇之一。

由於奈米線是一維（1D）材料，因此電子在量子上被限制在兩個空間維度中。這意味著電子可以在一個空間維度上隧道，從而允許電流沿著一個方向流動，就像經典電路一樣。為了像經典電路一樣有效和發揮作用，需要利用和控制這種超導性—這就是不同的量子組件發揮作用並創建功能性超導電路的地方。

建構超導電路

超導電路被視為在量子通道周圍傳輸超導量子位元的低功耗選擇，並被視為潛在的技術建構模組之一。就基本架構和設定而言，半導體電路與經典電路類似，並且仍然需要經典設定所需的許多元件，包括電源、開關、閘、量子記憶體、讀出器等，這些元件可以建構為積體電路和形成可以為量子操作提供動力的超導晶片。主要區別在於這些組件需要能夠處理、傳輸和通訊量子位元而不是經典位元。

除了不同的元件之外，已經實現的許多不同類型的超導量子位元也可用於建構超導電路。這些是相位、電荷和通量量子位，並且正在建構的系統包括一個和多個量子位元系統。這些電路仍處於起步階段，但正在開發新的方法來控制和操縱這些電路，以便它們能夠存儲和傳輸資料，一系列磁場、電場和高能電子注入都在試圖實現這一目標，使得超導晶片能夠以類似於經典設定的方式運行。

超導電路中的許多不同組件類似並試圖反映其經典對應組件的效果，但具有運行量子演算法（例如開關）的能力。超導量子電路的一個顯著特徵是使用約瑟夫森結（Josephson junction），因為正常的導電電路中不存在這種結。約瑟夫森結是兩根超導線之間的弱連接（由絕緣體製成），電子可以從一根導線隧道傳輸到另一根導線。約瑟夫森結允許兩側的波函數變得連續，並防止任何電流超過臨界電流。因此，約瑟夫森結在許多超導晶片設計以及不同的量子組件中都很重要。

超導電路的優點和缺點

圖二 : 目前使用半導體電路作為量子技術的基本建構模組有許多優點。（source：IQIM）

量子技術理論化的每種架構都有其固有的優點和缺點。這包括廣為人知的光子系統以及超導電路。隨著每種技術的發展，隨著新發展和新挑戰的到來，不同的優點和缺點也會發生變化，所以這不太可能是一個靜態的話題。

就目前而言，使用半導體電路作為量子技術的基本建構模組有許多優點。一個優點是在量子位元方面，因為這種糾纏方法可以產生強耦合的量子位元，並且可以產生單量子位元和多量子位元系統。此外，超導量子位元的量子位勢是可以控制的，並且單一量子位元的性質可以用來建構一組「通用」量子閘。

就缺點而言，通過約瑟夫森結的電流往往非常小，並且可能會受到雜訊的影響，因此需要做更多的工作來降低雜訊水平，因為這對於半導體電路很重要。除此之外，超導電路的另一個缺點是它們的相干性受到約瑟夫森結穿隧勢壘中缺陷的限制，並且裝置的製造會影響量子位元參數，因此在製造時需要小心以確保量子位參數不要變化太多。

這些系統作為完整電路的主要優點之一是，科學家和工程師可以像經典電腦一樣將它們製造到晶片上。因此，這些晶片具有可擴展的潛力。然而，這些超導晶片仍有工作要做，以控制和互連組件，而不需要在晶片上添加額外的層（使它們變得更笨重）。雖然這在目前只是被視為優勢，但一旦解決了一些晶片整合問題，這就是未來的潛在優勢。

結論

眾所周知，超導電路和其他量子架構距離量子運算的商業可行性還有一段距離。然而，如果你看看過去兩、三十年經典計算系統的發展，那麼認為基本量子電腦即將到來並不是沒有道理的—特別是考慮到它們的工作量—並且再過二、三十年，我們就可以擁有高性能的量子電腦。

超導電路提供了在量子通道中促進超導量子位元（來自電子）的潛力，並且與基於光子的架構相比具有不同的優勢和挑戰。未來幾年，這兩種領先架構中的哪一種將脫穎而出，我們是否會看到使用這兩種架構的量子系統，或者在此過程中是否會出現其他東西，將會很有趣。

（本文由貿澤電子提供；作者Liam Critchley為歐洲奈米技術工業協會（NIA）高級科學傳播官員及美國國家石墨烯協會（NGA）顧問委員會成員）