量子電腦最有趣的部份是量子位。從材料科學的角度來看，量子位是如何工作的以及是什麽讓它表現出如此奇妙的特性？
讓我們記住與量子位物理密切相關的最基本的點。首先 從半導體開始 。如果沒有這一點，你或許將無法感受到根本的區別。
半導體材料科學
熟悉的半導體器件的工作原理非常簡單。這是一組晶體管組合成一個復雜的架構並輸出預期的電壓（或不輸出）。
半導體晶體管通常非常適合與用於供應普通水的開啟或關閉的水龍頭進行比較。在這種情況下，水龍頭就是一個閥門， 它是一個可以讓你組裝最簡單的受控邏輯鏈的工具。 我有很多關於晶體管的好材料。
半導體晶體管的材料科學 很簡單。半導體僅在某些物理條件下才導電，並占據電介質和導體之間的空間。半導體導電性的條件之一是摻雜——人為增加自由電子數量或空位。
標準二極管
有些半導體材料「富含」電子，有些材料「富含」空位來容納這些電子。如果將具有大量空位（或電洞）的材料和具有大量載流子（電子）的材料彼此連線，則電流將沿一個方向流動，而不是沿另一個方向流動。結果是一個半導體二極管。
如果你根據電子-電洞-電子的原理組合材料，那麽 在這樣的三重三明治中你將得到一個受控區域 。將電流施加到沒有電荷載流子的受控區域將開啟該區域並允許電流流過晶體管。這裏我們可以說有 pnp 或 npn 晶體管，但這現在已經不那麽重要了。
晶體管材料科學的基本原理很簡單。將材料放入晶體管三明治中，只有透過提供電流將電子添加到中間層（或另一種類別的半導體的完全相反的選擇），該三明治才會提供導電性。
晶體管的主要材料是鍺和矽。為了實作電洞或電子的「豐度效應」，對基材進行摻雜。合金成分通常是鋁、鎵或銦。一般來說，邏輯很簡單—— 在主要元素的原子中添加一個「雜質杜鵑」，它將滲透到基礎的晶格中，並將新的自由電子引入主要成分中（好吧，或者會抓住那些處於相對自由狀態，有大量空位，有利於能量轉換）。
我們都知道結果。結果是一個半導體晶體管，在此基礎上可以組裝邏輯單元。一切都很簡單，原因只有一個 - 總的來說，我們正在制作一個帶有是/否位置的常規控制水龍頭，這落在通常的 1 和 0 上。1 和 0，如果你還記得的話，就是這個位。嚴格固定的值。
量子材料科學
量子電腦因其技術不涉及特定值而聞名。沒有 1 和 0， 主要元素不再是一個位，而是一個 cu 位 。量子位很有趣，因為它可以取從 0 到 1 的整個值範圍，並且具有一定的概率。比方說，在某個特定時刻，一個量子位可以以 30% 的概率取值「1」。因此，電腦演算法與概率指標一起工作。
要理解，您需要 對量子物理學的基礎知識有很好的了解 ，但我認為了解量子位總是同時處於所有可能的狀態就足夠了。它既是 0 又是 1，並且伴隨著接受 1 和 0 的所有概率。
這就是 量子疊加的表現 方式——一種允許量子粒子同時呈現所有可能狀態的特定內容。由於觀察者效應，特定值是固定的- 您需要測量所需的內容，然後疊加將崩潰，並且量子位將采用預期的特定值之一。
概率微積分需要特殊的邏輯來構建與我們習慣的情況完全不同的演算法。一般來說，量子演算法專註於解決一個明確描述的問題。例如，預測某些自然區域的溫度變化。測量量子位的事實將導致值的固定和演算法的完成。
如果我們將半導體晶體管與受控抽頭進行比較，那麽量子位 就像一個封閉的盒子，裏面可以放置任何東西，其內容由概率決定。 您開啟帶有測量值的盒子並找出結果。如果您以數學方式描述在框中找到特定結果的概率，那麽這可以用作解決某些問題的方法。
這就是樂趣的開始。 從材料科學的角度來看， 如何以及用什麽來制作這個神奇的盒子？
如果半導體電腦像機械器材一樣工作，那麽量子位元肯定不會那樣工作。最初甚至使用機械閥代替晶體管，因為只有兩個值並且它們被嚴格定義。
但 不可能想象機械等價物中的量子電腦 。嘗試制作一個同時開啟和關閉的水龍頭。幾乎是薛定諤的貓。盒子裏有驚喜。
這裏需要 用量子粒子進行操作，甚至是在疊加狀態下 。從材料科學的角度來看，這到底是什麽？
事實上，量子位元由什麽制成並不重要。最主要的是，這個東西是 處於受控疊加的狀態 。當接近超導值的低溫產生時，當所有熱力學活動凍結時，粒子中就會實作疊加狀態。超導效應有時會在那裏顯現出來。
從技術上講，量子位可以代表各種不同的物件。冷原子、光子、晶格中的缺陷。但當今最 流行和最方便的量子位類別被認為是基於約瑟夫森接觸的超導量子位。
約瑟夫森結是兩個超導體之間透過一層薄薄的電介質進行連線的一種類別。您可以選擇不同的材料。超導觸點可以由鋁制成，中間層可以由鉍-碲-硒或氧化鋁制成。
庫珀電子 對負責超導體中的電流傳輸， 可以隧道穿過約瑟夫森結。非常誇張地說，庫珀對是電子本身，也是超導體中放置該電子的地方。透過對轉移，量子隧道發生在約瑟夫森結中。
，量子隧道效應是一種效應，當粒子的能量小於跳過高勢壘所需的能量時，粒子就可以穿過勢壘。該過程是概率性的，並且 在測量期間可以固定粒子相對於障礙物的位置 。我們記得量子隧道效應很有趣，因為出現在勢壘內部或出現在勢壘後面的概率總是非零。仍有待 測量庫珀對的位置 。這就是獲得量子位的方式。
我們可以假設在測量時該貨幣對位於勢壘後面，概率為 20%。當然，形象地說。我們透過測量和固定量子位來驗證這一事實。
約瑟夫森量子位的行為就像單個原子：它們可以處於基態和多個激發態，根據疊加同時占據多個位置，透過光子的發射和吸收交換能量，甚至模擬激光生成模式。
請註意，這並不是建立量子位的唯一方法。但也許這是最簡單的。
整個方案相對於半導體的根本區別在於維持疊加的復雜條件。正是這種情況需要保持系統恒定的低溫。
這就是量子處理器的樣子。不比標準多多少
從技術上講，量子位 （或量子處理器）是用一層薄薄的電介質粘合在一起的幾塊薄金屬板。這很容易做到。 創造與疊加狀態相對應的條件、 啟動粒子的這種狀態並長期維持它是很困難的。因此，量子處理器是一個小金屬塊，加上冷卻系統，整個結構占據了幾個房間。
我們需要的是一種冷卻系統和一種器材，可以使用與躍遷頻率諧振的外部電磁場，在所討論的量子位中的兩個相鄰能階之間建立疊加態。這些是物體的復雜且技術上復雜的物理狀態。
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