普林斯顿的新量子芯片旨在实现规模化发展

普林斯顿团队在11月5日发表在《自然》杂志上的一篇文章中报告称，他们的新量子位可以持续超过1毫秒——比实验室条件下之前最好的结果长三倍，几乎是工业标准处理器的十五倍。该团队构建了一个完整的量子芯片来验证他们新量子位的性能，从而克服了高效纠错和扩展到工业系统的主要障碍。

新设计的量子比特与谷歌和IBM等领先公司已使用的类似，据研究人员称，可以很容易地集成到现有的处理器中。侯克说，将普林斯顿的组件插入名为Willow的最佳量子处理器中，可以使它的工作性能提高1000倍。

随着系统规模的增长，普林斯顿量子比特的好处呈指数级增长，因此增加更多的量子比特会带来更大的益处。更好的硬件对于推进量子计算机至关重要。

量子计算机展示了解决传统计算机无法处理的问题的潜力。但当前版本仍处于开发早期阶段，且存在局限性。主要原因在于构成量子计算机的基本组件——量子位（qubit）在运行有用计算之前就会失效。

延长量子位的寿命，即相干时间，对于使量子计算机能够执行复杂操作至关重要。普林斯顿大学的量子位标志着过去十年中相干时间的最大单一进步。虽然工程师们正在探索多种技术来开发量子位，但普林斯顿版本依赖于一种称为传输门量子位（transmon qubit）的电路类型。

传输门量子位是在极低温度下运行的超导电路。其优点包括对外界干扰具有相对较高的容忍度，并且与当前的电子制造工艺兼容。但传输门量子位的相干时间证明极其难以延长。最近谷歌的研究表明，在改进其最新处理器方面面临的最大限制归结为量子位材料的质量问题。

普林斯顿团队采取了双管齐下的方法来重新设计量子位。首先，他们使用了一种叫做钽的金属来帮助脆弱的电路保存能量。其次，他们用高质量的硅替代了传统的蓝宝石基板，这是计算行业的标准材料。

为了直接在硅上生长钽，研究团队必须克服与材料固有属性相关的一系列技术挑战。但最终他们取得了成功，解锁了这种组合的巨大潜力。 纳塔莉·德·莱昂是普林斯顿量子倡议的联合主任，也是新量子比特的主要调查员之一，她说他们的钽-硅芯片不仅超越了现有设计的表现，而且更容易大规模生产。

“我们的结果真的推动了技术前沿。”谷歌量子AI硬件首席科学家米歇尔·德福雷特表示，延长量子计算电路寿命的挑战已经成为了许多物理学家的“坟墓”思想。 纳塔莉Really有胆量采取这种策略并让它奏效，”物理奖2025年诺贝尔奖获得者德沃雷特说。

电气与计算机工程系的安东尼教授表示，一台量子计算机的力量取决于两个因素。第一个因素是一共连接了多少个量子位（qubits）。第二个因素是在错误接管之前，每个量子位可以执行多少操作。通过提高单个量子位的质量，这项新论文在两方面都取得了进展。具体来说，更持久的量子位有助于解决行业的最大障碍：扩展和错误纠正。

这些量子位中最常见的错误来源是能量损失。金属中的微小隐藏表面缺陷可以捕获并吸收随着电流移动的能量。这会导致量子位在计算过程中迅速失去能量，当向芯片中添加更多量子位时，引入的错误会成倍增加。

钽通常比常用的金属如铝含有更少的这些缺陷。较少的错误也使得工程师更容易纠正那些确实发生的错误。Houck 和电气与计算机工程副教授 de Leon 于 2021 年与普林斯顿大学化学家、Russell Wellman Moore 化学教授 Robert Cava 合作首次引入了将钽用于超导芯片。尽管没有量子计算背景，但超导材料专家卡瓦还是受到了德莱昂几年前演讲的启发，两人就量子比特材料展开了持续的对话。最终，卡瓦指出，钽可以提供更多的好处和更少的缺点。“然后她就去做了，”卡瓦说，他指的是德莱昂和更广泛的团队。“这是令人惊奇的部分。”

来自三个实验室的研究人员遵循Cava的直觉，在蓝宝石基板上构建了一个超导钽电路。该设计展示了显著提升的相干时间，与世界纪录相符。

钽的主要优势在于其异常坚固，能够承受去除制造过程中污染所需的严苛清洗。“你可以将钽放入酸中，但其性质不会改变，”Bahrami说，他是新论文的共同主要作者。 重要的是：在去除污染物后，团队找到了一种测量下一来源能量损失的方法。大部分剩余的损失来自于蓝宝石基底。

他们用硅材料替换了蓝宝石，这是一种广泛可用且纯度极高的材料。将这两种材料结合并在精炼制造和测量技术的同时，带来了量子比特历史上最大的单一改进之一。霍克称这项工作是“通往实现有用量子计算道路上的一个重大突破”。

由于改进随系统规模呈指数级增长，霍克表示，用普林斯顿的设计替换当前行业的最佳方案将使假设中的1000量子位计算机的工作性能提高约10亿倍。使用硅为新芯片进行工业扩展做准备。这项工作结合了在量子设备设计和材料科学方面的深厚专业知识。

霍克的研究小组专注于构建和优化超导电路；德·莱昂的实验室侧重于量子计量学以及支撑量子位性能的基础材料和制造工艺；而卡瓦的研究团队在过去三十年中一直在超导材料领域处于前沿。他们的知识结合在一起产生了单独工作无法实现的结果，这些结果现在已引起了工业界的关注。

德福雷特，这位同时担任加州大学圣塔芭芭拉分校物理学教授的谷歌科学家表示，大学与产业之间的合作对于推动技术前沿至关重要。“工业界和学术研究之间存在一种相当和谐的关系。”他说。大学实验室处于能够专注于限制量子计算机性能的基本方面的位置，而产业则将这些进步扩展到大规模系统中。

“我们已经证明在硅基材料上这是可能的，”德勒昂说。“我们现在展示了关键步骤以及使这种相干时间成为可能的重要基本特性，这使得任何从事规模化处理器工作的人都可以很容易地采用这些技术。”

编撰自论文“Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.自然.2025.10相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。