量子计算机最有趣的部分是量子位。从材料科学的角度来看，量子位是如何工作的以及是什么让它表现出如此奇妙的特性？
让我们记住与量子位物理密切相关的最基本的点。首先 从半导体开始 。如果没有这一点，你或许将无法感受到根本的区别。
半导体材料科学
熟悉的半导体器件的工作原理非常简单。这是一组晶体管组合成一个复杂的架构并输出预期的电压（或不输出）。
半导体晶体管通常非常适合与用于供应普通水的打开或关闭的水龙头进行比较。在这种情况下，水龙头就是一个阀门， 它是一个可以让你组装最简单的受控逻辑链的工具。 我有很多关于晶体管的好材料。
半导体晶体管的材料科学 很简单。半导体仅在某些物理条件下才导电，并占据电介质和导体之间的空间。半导体导电性的条件之一是掺杂——人为增加自由电子数量或空位。
标准二极管
有些半导体材料「富含」电子，有些材料「富含」空位来容纳这些电子。如果将具有大量空位（或空穴）的材料和具有大量载流子（电子）的材料彼此连接，则电流将沿一个方向流动，而不是沿另一个方向流动。结果是一个半导体二极管。
如果你根据电子-空穴-电子的原理组合材料，那么 在这样的三重三明治中你将得到一个受控区域 。将电流施加到没有电荷载流子的受控区域将打开该区域并允许电流流过晶体管。这里我们可以说有 pnp 或 npn 晶体管，但这现在已经不那么重要了。
晶体管材料科学的基本原理很简单。将材料放入晶体管三明治中，只有通过提供电流将电子添加到中间层（或另一种类型的半导体的完全相反的选择），该三明治才会提供导电性。
晶体管的主要材料是锗和硅。为了实现空穴或电子的「丰度效应」，对基材进行掺杂。合金成分通常是铝、镓或铟。一般来说，逻辑很简单—— 在主要元素的原子中添加一个「杂质杜鹃」，它将渗透到基础的晶格中，并将新的自由电子引入主要成分中（好吧，或者会抓住那些处于相对自由状态，有大量空位，有利于能量转换）。
我们都知道结果。结果是一个半导体晶体管，在此基础上可以组装逻辑单元。一切都很简单，原因只有一个 - 总的来说，我们正在制作一个带有是/否位置的常规控制水龙头，这落在通常的 1 和 0 上。1 和 0，如果你还记得的话，就是这个位。严格固定的值。
量子材料科学
量子计算机因其技术不涉及特定值而闻名。没有 1 和 0， 主要元素不再是一个位，而是一个 cu 位 。量子位很有趣，因为它可以取从 0 到 1 的整个值范围，并且具有一定的概率。比方说，在某个特定时刻，一个量子位可以以 30% 的概率取值「1」。因此，计算机算法与概率指标一起工作。
要理解，您需要 对量子物理学的基础知识有很好的了解 ，但我认为了解量子位总是同时处于所有可能的状态就足够了。它既是 0 又是 1，并且伴随着接受 1 和 0 的所有概率。
这就是 量子叠加的表现 方式——一种允许量子粒子同时呈现所有可能状态的特定属性。由于观察者效应，特定值是固定的- 您需要测量所需的属性，然后叠加将崩溃，并且量子位将采用预期的特定值之一。
概率微积分需要特殊的逻辑来构建与我们习惯的情况完全不同的算法。一般来说，量子算法专注于解决一个明确描述的问题。例如，预测某些自然区域的温度变化。测量量子位的事实将导致值的固定和算法的完成。
如果我们将半导体晶体管与受控抽头进行比较，那么量子位 就像一个封闭的盒子，里面可以放置任何东西，其内容由概率决定。 您打开带有测量值的盒子并找出结果。如果您以数学方式描述在框中找到特定结果的概率，那么这可以用作解决某些问题的方法。
这就是乐趣的开始。 从材料科学的角度来看， 如何以及用什么来制作这个神奇的盒子？
如果半导体计算机像机械设备一样工作，那么量子比特肯定不会那样工作。最初甚至使用机械阀代替晶体管，因为只有两个值并且它们被严格定义。
但 不可能想象机械等价物中的量子计算机 。尝试制作一个同时打开和关闭的水龙头。几乎是薛定谔的猫。盒子里有惊喜。
这里需要 用量子粒子进行操作，甚至是在叠加状态下 。从材料科学的角度来看，这到底是什么？
事实上，量子比特由什么制成并不重要。最主要的是，这个东西是 处于受控叠加的状态 。当接近超导值的低温产生时，当所有热力学活动冻结时，粒子中就会实现叠加状态。超导效应有时会在那里显现出来。
从技术上讲，量子位可以代表各种不同的对象。冷原子、光子、晶格中的缺陷。但当今最 流行和最方便的量子位类型被认为是基于约瑟夫森接触的超导量子位。
约瑟夫森结是两个超导体之间通过一层薄薄的电介质进行连接的一种类型。您可以选择不同的材料。超导触点可以由铝制成，中间层可以由铋-碲-硒或氧化铝制成。
库珀电子 对负责超导体中的电流传输， 可以隧道穿过约瑟夫森结。非常夸张地说，库珀对是电子本身，也是超导体中放置该电子的地方。通过对转移，量子隧道发生在约瑟夫森结中。
，量子隧道效应是一种效应，当粒子的能量小于跳过高势垒所需的能量时，粒子就可以穿过势垒。该过程是概率性的，并且 在测量期间可以固定粒子相对于障碍物的位置 。我们记得量子隧道效应很有趣，因为出现在势垒内部或出现在势垒后面的概率总是非零。仍有待 测量库珀对的位置 。这就是获得量子位的方式。
我们可以假设在测量时该货币对位于势垒后面，概率为 20%。当然，形象地说。我们通过测量和固定量子位来验证这一事实。
约瑟夫森量子位的行为就像单个原子：它们可以处于基态和多个激发态，根据叠加同时占据多个位置，通过光子的发射和吸收交换能量，甚至模拟激光生成模式。
请注意，这并不是创建量子位的唯一方法。但也许这是最简单的。
整个方案相对于半导体的根本区别在于维持叠加的复杂条件。正是这种情况需要保持系统恒定的低温。
这就是量子处理器的样子。不比标准多多少
从技术上讲，量子位 （或量子处理器）是用一层薄薄的电介质粘合在一起的几块薄金属板。这很容易做到。 创造与叠加状态相对应的条件、 启动粒子的这种状态并长期维持它是很困难的。因此，量子处理器是一个小金属块，加上冷却系统，整个结构占据了几个房间。
我们需要的是一种冷却系统和一种设备，可以使用与跃迁频率谐振的外部电磁场，在所讨论的量子位中的两个相邻能级之间创建叠加态。这些是物体的复杂且技术上复杂的物理状态。
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