2026年10月1日——理解为何某些超导量子比特的表现优于其他量子比特，仍是量子计算领域最重要的挑战之一。只要量子比特中的量子态保持相干性而不发生衰减，信息就能被保存，并有可能在远超当前计算机能力的先进计算中得到处理。

过去十年间，研究人员已在用于制造量子比特的材料中识别出许多可能限制相干性的缺陷，但要确定究竟是哪些微观特征解释了为何设计完全相同的量子比特会表现出不同性能，仍是一项挑战。如今，由费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）牵头的超导量子材料与系统中心（Superconducting Quantum Materials and Systems Center，简称 SQMS）的研究人员完成了迄今最全面的研究之一，将材料及其结构——包括表面、界面和几何形貌——与量子器件性能的差异联系起来。这项研究提供了与器件制造直接相关的新见解，是迈向构建实用且可靠量子计算机的重要一步。

在一项涉及费米实验室、西北大学（Northwestern University）、Rigetti Computing、埃姆斯国家实验室（Ames National Laboratory）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）和英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）的大规模研究中，SQMS 的研究人员考察了由费米实验室、Rigetti 和 NIST 制造的 22 个超导 transmon 量子比特。Transmon 是一种特定的超导量子比特，其设计使其对可能翻转量子比特状态的小幅电荷波动远不那么敏感，因而成为当今超导量子计算中应用最广泛的量子比特设计之一。研究团队采用七种不同的材料表征技术，记录了具有不同量子态相干水平的量子器件的材料特性，并考察了其与器件性能数据的相关性。相关研究成果已发表在《Applied Physics Reviews》上。

“推进量子信息科学，从根本上取决于我们在原子尺度上操控物质的能力，”美国能源部基础能源科学副主任 Bindu Nair 表示。“SQMS 领导的这项协同努力，为超导器件性能差异背后的材料缺陷提供了有科学依据的指引，使我们从观察走向关联。这一基础性知识对于为国家构建下一代可靠、可复现且强大的量子技术至关重要。”

一项基于相关性的研究

多年来，SQMS 的研究人员一直在探究材料、界面和表面化学如何影响超导量子比特中量子态的相干性。早在该中心成立之前，费米实验室的研究人员就研究了能够保持高相干态的腔体，并借助它们来理解铌氧化物如何影响量子器件的性能。在该中心存续期间，通过热处理来理解和控制氧化物始终是一个重点方向。这些研究推动了表面封装方法的发展，此类方法旨在保护超导表面并提升性能。

尽管取得了这些广泛进展，要在量子比特上实现均匀一致的高性能仍面临挑战。超导量子比特可以在同一芯片上、采用名义上相同的工艺和材料制造，性能却依然存在差异。对量子研究人员而言，这种差异指向该领域材料科学的一个核心问题：在微观层面，究竟是什么原因使一个量子比特比另一个能更长时间地保持量子信息？

“这项研究基于对高性能器件与低性能器件进行系统的并列比较，”SQMS 技术负责人 Alexander Romanenko 表示。“由于这些器件设计相同，且由相同材料一同制造，它们在性能上的任何差异都必定源于某个更细微的因素。过去二十年里，我们成功发展出这套方法来理解和改进超导射频腔的性能，而在 SQMS，我们决定首次将其应用于超导量子比特。”

为实现这一目标，研究团队将费米实验室、埃姆斯国家实验室和西北大学的多种显微与光谱技术与在费米实验室 SQMS Quantum Garage 开展的量子比特态量子相干性表征结合起来。

“没有哪一项单独测量能说明全部问题，”SQMS 中心副主任 Akshay Murthy 说。“这项研究的优势在于，它汇集了许多技术、许多器件和许多合作伙伴。通过整合这些数据集，我们得以识别出可推广的趋势——这些趋势单凭一个器件或一种表征方法很难看出来。”

通过确定哪些缺陷与量子比特之间的性能差异相关，研究人员可以借助改进的材料工艺、制造技术和表面处理来针对这些缺陷。对 SQMS 而言，这使该研究不仅仅是对器件性能的事后分析，更为未来工作提供了路线图。

对量子比特材料的无偏考察

该研究在设计上力求消除过程中的偏差：负责表征器件的研究人员并不知道这些量子比特的表现如何。各团队只是检查器件，记录所观察到的特征，并尽可能详尽地量化这些特征。直到数据收集完毕，研究人员才开始寻找材料缺陷与量子比特性能差异之间的相关性。

“我们给自己设定的挑战是一次盲测：在开始对量子比特进行全面研究之前，我们不透露器件的能量弛豫寿命（T₁）——即激发态量子态失去能量的速度，”埃姆斯国家实验室杰出科学家 Matt Kramer 说。“我们最先进行的是非破坏性测试，其中许多方法让我们能够识别出某些特征，随后再以更高分辨率观察这些特征，并采用更具侵入性的方法。这种方式使一套无偏的决策树得以寻找那些可能与量子比特性能差异相关的特征。”

分析指出了三个与器件性能差异尤为相关的特征：器件结构周围沟槽的深度、刻蚀侧壁的角度，以及表面氧化层的厚度。

• 表面氧化层厚度反映了超导表面的化学性质。SQMS 此前的研究表明，这一层虽然只有几纳米厚，却在铌量子比特的损耗中占主导地位。这项研究进一步指出，器件之间哪怕仅一纳米的氧化层厚度差异，也能显著改变性能。
• 侧壁角度与器件结构在制造过程中的图形化和刻蚀方式有关。电磁模拟表明，约 10 至 15 度的陡峭角度可减少损耗性氧化物中储存的电场，与约 30 度更宽、更倾斜的角度相比，性能预计可提升 20% 至 30%。
• 沟槽深度同样被发现对量子比特性能差异有显著贡献。它指的是紧邻超导金属电极边缘、刻蚀进入底层衬底——即量子比特的基础——的凹槽的垂直深度。当沟槽深度低于约 20 纳米时，微小的变化会对器件性能产生更剧烈的影响。当沟槽深度较大时，这一效应趋于饱和，其他因素则发挥更突出的作用。与侧壁角度一样，沟槽深度也与制造工艺相关。

与此形成对比的是，研究团队还检查了宏观缺陷，如表面划痕、颗粒物及类似的可见瑕疵，但未发现这些特征与器件性能之间存在明确相关性，这表明对于这组器件而言，表面化学和刻蚀几何形貌上的纳米级差异，对性能差异的影响比肉眼可见的损伤更大。

总体而言，这些发现表明，制造几何形貌和表面化学都有助于解释器件性能的可复现性。在受研究的器件中，这三个特征的差异可以解释由相同材料制造的量子比特之间高达两倍的性能差异。因此，这些证据指向更严格地控制沟槽深度、侧壁角度和氧化层厚度，以缩小这种差距。

对量子制造的指导

对产业合作伙伴而言，这些发现提供了某种一直难以获得的东西：关于哪些材料和制造特征最值得关注的、有科学依据的指导。

像 Rigetti Computing 这样的公司能够重复且规模化地制造器件，但往往缺乏足够广度的知识和工具来深入探究性能差异的每一种可能成因。这使 SQMS 的合作尤为有价值。

“随着我们扩展到更大的量子处理器，性能并不是由最好的量子比特决定的，而是由最差的量子比特决定的，因为单个低性能量子比特就会拖低任何依赖它的计算的保真度，”Rigetti 首席技术官 Andrew Bestwick 说。“缩小一块芯片上的这种差距，与把最好的量子比特推向更高水平同样重要，而这项研究恰恰开始让我们从科学上把握这类问题。”

对 Rigetti 而言，这项研究回答了与器件制造直接相关的一些问题。“我们自己也一直在想：我们的刻蚀应该设计成多大的侧壁角度？沟槽应该刻多深？我们应该在多大程度上优先考虑这些光刻特征？”Bestwick 说。“此前很少有人能够科学地为这些问题给出答案。”

这些信息有助于指导未来的制造决策。

“在工业界，工艺变更必须谨慎并以受控的方式进行，以保持制造的稳定性和可复现性，”Bestwick 说。“SQMS 的这项研究为企业确定哪些改动值得推进提供了更坚实的基础。”

通往可复现量子比特的路线图

这项工作是 SQMS 更宏大使命中的一个重要里程碑，该使命是为可扩展量子计算奠定科学基础。虽然这项研究识别出若干与量子比特性能密切相关的材料和制造特征，但研究人员认为这些结果只是旅程的开端，而非终点。在这项初步研究中，团队确定了哪些材料特征有助于解释能量弛豫。团队的下一步是把分析扩展到退相位和 T₂ 相干性——即量子比特能够保持相位信息的时间，这是多量子比特处理器中门保真度的关键参数。

未来的研究将扩展材料体系、器件架构和表征方法的范围，构建越来越具预测性的模型，将材料工艺与量子性能直接联系起来。

“这项工作的独特之处不仅在于研究的规模，还在于 SQMS 汇聚的专业知识之广，”费米实验室首席技术官兼 SQMS 中心主任 Anna Grassellino 说。“通过联合领先机构、先进表征能力和量子硬件平台，我们正开始把量子器件开发从一门技艺转变为一门预测性科学。随着我们迈向更大、更强大的量子系统，这一基础将至关重要。”

随着超导量子处理器不断纳入更多量子比特和更复杂的连接，通过深入理解材料来设计相干性的能力正变得愈发不可或缺。SQMS 的合作正在帮助奠定这一基础，并由此为量子硬件的开发与理解树立新的标准。