施郁

复旦大学物理学系 上海 200433

1 引 言

2021年度“墨子量子奖”授予“开创了超导量子电路和量子比特中一系列早期关键技术”的三位科学家:加州大学伯克利分校的约翰·克拉克、耶鲁大学的米歇尔·德沃雷,以及日本理化学研究所的中村泰信.简单地说,他们的工作是超导量子比特实验的开端.本文介绍这个领域的科学背景和发展历程,包括这三位科学家的贡献.

2 超导和超流

超导和超流经常被称作“宏观量子现象”.但是通常情况下,它们只是微观量子行为的集体效应和宏观表现,并不是宏观变量的量子化.

微观粒子用量子态描述.同种粒子,比如两个电子或者两个光子,是绝对完全一样的,叫做全同粒子.按照统计性质,量子粒子分为两种.一种叫做玻色子,自旋(内禀角动量)为整数.任何两个同种玻色子(比如两个光子)可以处于相同量子态.另一种叫做费米子,自旋为半整数.任何两个同种费米子(比如两个电子)都不能处于相同量子态态.

复合粒子的统计性质决定于总自旋是整数还是半整数,因此决定于它包含奇数个费米子还是偶数个费米子.比如,由2个质子和1个中子组成的原子核叫做氦3原子核,是费米子,它又与2个电子组成电中性的氦3原子,也是费米子.由2个质子和2个中子组成的原子核叫做氦4原子核,是玻色子,它又与2个电子组成电中性的氦4原子,也是玻色子.

在系统总能量最低时,简单来说(忽略相互作用),大量的全同玻色子……