普林斯顿推出新型量子芯片，向实现量子优势迈出关键一步

美国联邦资助的国家量子研究中心负责人、普林斯顿大学工程学院院长安德鲁·霍克表示：“真正的挑战，也是如今阻碍我们拥有实用量子计算机的问题在于：你造出了量子比特，但它存储的信息无法持久。而我们的研究正是下一个重大突破。”

11月5日，普林斯顿大学团队在《自然》杂志发表文章称，他们研发的量子比特相干时间超过1毫秒。这一性能是实验室实验纪录最长寿命的3倍，几乎是工业量子处理器所用标准的15倍。为验证结果，团队基于这种新型量子比特制造了一块可正常工作的量子芯片，证明该设计能够支持纠错，且可扩展至更大系统。

研究人员指出，这种量子比特与谷歌、IBM等大公司使用的架构兼容。分析显示，若用普林斯顿的方法替换谷歌Willow处理器中的关键组件，其性能或可提升1000倍。霍克补充道，随着量子系统集成更多量子比特，这种设计的优势增长会更快。

### 为何更优的量子比特对量子计算至关重要
量子计算机有望解决传统计算机无法处理的问题，但其当前能力受限，原因是量子比特在完成复杂计算前就会丢失信息。因此，延长相干时间对构建实用量子硬件至关重要。普林斯顿大学的这一改进是十多年来相干时间单次提升幅度最大的一次。

许多实验室都在研究不同的量子比特技术，而普林斯顿的设计基于一种广泛使用的超导量子比特（transmon qubit）。超导量子比特是在极低温下工作的超导电路，以抗环境干扰且兼容现代制造工具而闻名。

尽管有这些优势，但延长超导量子比特的相干时间一直很困难。谷歌近期研究显示，材料缺陷已成为改进其最新处理器的主要障碍。

### 钽与硅：新的材料策略
普林斯顿团队制定了两部分策略来应对这些材料挑战。首先，他们引入了金属钽，这种金属有助于精密电路保持能量。其次，他们用高纯度硅（计算机行业的基础材料）替代了标准的蓝宝石衬底。要在硅上直接生长钽，需解决两者相互作用的多个技术问题，研究人员成功攻克了这些难题，并在此过程中发现了显著优势。

普林斯顿量子计划联合主任、该项目联合首席研究员娜塔莉·德莱昂表示，钽 - 硅设计不仅性能优于以往方法，而且更易于大规模制造。她说：“我们的成果确实在推动该领域的技术水平。”

谷歌量子人工智能硬件首席科学家、2025年诺贝尔物理学奖得主米歇尔·德沃雷（该项目提供了部分资金）表示，延长量子电路寿命难度极大，相关尝试曾被称为“失败方案的坟墓”。他评价道：“娜塔莉真的有勇气去推行这个策略并取得了成功。”

该项目主要资金来自美国能源部国家量子信息科学研究中心和量子优势联合设计中心（C2QA）。霍克在2021 - 2025年期间担任C2QA主任，现任该中心首席科学家。论文将博士后研究员法拉纳克·巴赫拉米和研究生马修·P·布兰德列为共同第一作者。

### 钽如何提升量子比特稳定性
霍克（安东尼·H·P·李'79 P11 P14电气工程与计算机科学教授）解释，量子计算机的能力取决于两个主要因素：一是可连接的量子比特总数，二是每个量子比特在错误累积前能完成的操作次数。提高单个量子比特的稳定性对这两个因素都有帮助，更长的相干时间直接支持系统扩展和更可靠的纠错。

能量损失是这些系统最常见的故障原因。金属中的微观表面缺陷会捕获能量，在计算过程中干扰量子比特，且添加更多量子比特时，这种干扰会加剧。钽的特别优势在于，其含有的这类缺陷通常比铝等金属少。缺陷越少，系统产生的错误就越少，纠错过程也更简单。

2021年，在普林斯顿大学化学家罗伯特·卡瓦（罗素·韦尔曼·摩尔化学教授）的帮助下，霍克和德莱昂首次将钽用于超导芯片。卡瓦是超导材料专家，听了德莱昂的一次讲座后对这个问题产生兴趣，最终建议钽可能是一种有前景的材料。卡瓦说：“然后她真的去做了，这才是最了不起的。”

三个实验室的研究人员按照这个想法，在蓝宝石衬底上制造了钽基超导电路，结果显示相干时间显著提升，接近此前的世界纪录。

巴赫拉米指出，钽的突出之处在于其极其耐用，能承受制造过程中为去除污染物而进行的严苛清洗。她说：“你可以把钽放进酸里，其性能仍然不会改变。”

去除污染物后，团队评估了剩余的能量损失，发现蓝宝石衬底是大部分剩余问题的根源。改用高纯度硅后，这一损失源被消除。钽与硅的结合，再加上改进的制造技术，使超导量子比特的性能实现了有史以来最大的提升之一。霍克称这一成果是“迈向实用量子计算道路上的重大突破”。

霍克补充，由于该设计的优势随系统规模增长呈指数级增加，用普林斯顿的量子比特替代当今行业领先的量子比特，理论上可让1000量子比特计算机的运行效率提升约10亿倍。

### 硅基设计支持行业规模发展
该项目汇集了三个领域的专业知识：霍克团队专注于超导电路的设计与优化，德莱昂实验室擅长量子计量学以及决定量子比特性能的材料和制造方法，卡瓦团队则有数十年超导材料研发经验。通过整合各自优势，团队取得了单个实验室难以实现的成果，其成功已引起量子行业关注。

德沃雷表示，大学与企业合作对推动先进技术发展至关重要。“工业界和学术研究之间存在着相当和谐的关系。”大学研究人员可以探索量子性能的基本极限，而行业合作伙伴则将这些发现应用于大规模系统。

德莱昂说：“我们已经证明在硅上是可行的。我们展示了实现这种相干时间的关键步骤和重要内在特性，这让从事规模化处理器研究的人很容易采用这项技术。”

这篇题为《二维超导量子比特的毫秒级寿命与相干时间》的论文于11月5日发表在《自然》杂志上。除德莱昂、霍克、卡瓦、巴赫拉米和布兰德外，作者还包括杰罗尼莫·G·C·马丁内斯、帕尔·H·普雷斯特加德、巴兹尔·M·史密瑟姆、阿塔尔夫·乔希、伊丽莎白·赫德里克、亚历克斯·帕克普尔 - 塔布里兹、沙什瓦特·库马尔、阿普尔夫·金达尔、雷·D·张、安布罗斯·杨、程光明和姚楠。该研究主要得到美国能源部科学办公室、国家量子信息科学研究中心、量子优势联合设计中心的支持，谷歌量子人工智能提供了部分支持。