图1 超导量子计算机、量子芯片和模拟量子态

超导量子计算。超导量子计算是克拉克等人工作的最直接应用之一，因为他们的工作相当于构造了一个宏观尺度的“人工原子”，具有量子特性且能被操控，而且与传统的电子学工艺兼容性好，所以可以构造出超导量子芯片，非常高效地完成特定的复杂运算，模拟一些真实的量子物态等(图1)。

超导量子比特的构造有三类：磁通比特、电荷比特、位相比特，分别利用了超导电子的自旋、电荷、位相等性质，其中基于约瑟夫森结阵列的超导量子芯片是目前的主流。2019 年，马蒂尼斯领导的谷歌AI Quantum 团队利用53 个超导量子比特的“悬铃木”芯片，成功实现了“量子霸权”，或称为“量子优越性”，即在随机线路采样任务中200 秒完成经典计算机需1 万年的运算，妥妥地“秒杀”。

2025 年，中国科学技术大学研制105 量子比特超导量子计算机“祖冲之三号”，在随机线路采样任务中运算速度超经典计算机15 个数量级。超导量子计算已经朝着上千量子比特和集成化发展，在国际上竞争激烈。当然，超导量子计算并非是量子计算的唯一方案，相比之下中性原子量子计算、离子阱量子计算、光量子计算等发展势头也非常快，几种路径孰优孰劣难以判断。

另一方面，量子计算虽然已经在特定问题方面可以“秒杀”经典计算机，但目前并不能全面替代经典计算机，而且其成本也非常高昂导致难以普及。另一方面，量子计算机可用于真实量子系统的模拟。例如理解高温超导微观机理的最大挑战就是它属于强关联多体系统，电子之间存在很强的量子关联效应，采用经典计算机的方法无法避免各种“无穷大”或“无穷多”的难题。而采用量子计算机构造出类似的量子系统，就可以轻松模拟出高温超导材料中一些看似反常的物理现象，或许能帮助我们理解其机理。

2019 年，中国科学院物理研究所和浙江大学的团队成功制备了20 个全局量子纠缠比特的超导量子芯片，可以成功模拟20 比特的“薛定谔猫态”(多量子比特GHZ态)，基于这种宏观尺度的“薛定谔猫”可以用于验证量子态非定域性和互文性等基本问题，也可以用于实现单向量子计算。

图2 基于非阿贝尔任意子的量子编织与拓扑量子计算

拓扑量子计算。传统的超导量子计算的瓶颈在于其量子退相干的问题，以至于必须在极端低温环境(10 mK 左右)运行并设置冗余的量子纠错单元。也就是说超导量子计算虽然可以很快，但不得不面临高昂的成本和复杂的工艺。为此，科学家们进一步提出了“拓扑量子计算”的概念，主要是基于拓扑超导体中的拓扑元激发(如马约拉纳任意子)进行量子编织操作，从而实现量子计算(图2)。

拓扑量子计算的优势在于其载体是受到材料内部电子拓扑保护的，具体来说就是量子位和准粒子编织操作均是非局域的，从而不受局域扰动的影响，也就具有很强的抗干扰能力，有效避免了退相干的问题。不过，目前尚未成功实现拓扑物态的编织，甚至一些拓扑超导和拓扑元激发的研究结果也产生了不少争议，器件中的一些其他元激发也会破坏编织过程，拓扑量子计算的发展前景尚不明朗。

图3 超导宏观量子效应

从约瑟夫森理论预言的超导库珀电子对隧穿(2 个电子)，到克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验实现的宏观电流隧穿(无数个电子)，超导的宏观量子效应实现了“从二到无穷大”的现实跨越，也让基于人工原子的量子计算等一系列应用展现了无限可能。随着超导材料体系的不断丰富、微纳加工技术的不断发展和电子学元器件的不断改进，还有许多超导的宏观量子效应有待发掘，理论上也预言了众多其他的量子效应，尚未能得到实验的验证(图3)。我们完全有理由相信，在未来的不久，超导的宏观量子效应带来的一系列应用会彻底改变人类世界。