2026年4月14日——自20世纪50年代起，硅材料通过实现小型化、高速化且可规模化量产的电子设备，彻底改变了电子工业。六十多年后的今天，基于硅的半导体仍然是包括所谓“经典”计算机在内的众多现代技术的核心。

为开发新型量子技术，科学家和工程师们转向使用特殊材料构建量子比特——量子系统的基本单元。例如，许多量子比特是在蓝宝石基底上沉积超导材料制成的。但要从实验室演示转向可扩展系统，就需要建立能够支持稳定可靠量子比特制造的科研与生产基础设施。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员近期取得重要突破，他们采用与硅工艺兼容的过渡金属硅化物材料成功制备出超导量子干涉器件（SQUID）。这项研究是量子优势协同设计中心（C2QA）工作的一部分，该中心是由布鲁克海文实验室主导、新近续期的美国国家量子信息科学研究中心。

“采用过渡金属硅化物制造量子器件，可以直接对接现有半导体技术引擎，”C2QA主任、布鲁克海文实验室能源与光子科学理事会副主任查尔斯·布莱克表示，他同时是近期发表于《纳米快报》论文的共同通讯作者。

研究团队与C2QA合作伙伴NY Creates密切协作，基于先进微电子制造技术开发了特殊工艺方案。借助布鲁克海文实验室功能纳米材料中心（CFN）——美国能源部科学办公室下属用户设施——的纳米光刻与刻蚀能力，研究人员改良了微处理器中过渡金属硅化物的常规合成技术。

“我们采用这种制造友好型方案，是为了未来能在NY Creates设施中实现更大规模生产，”CFN资深科学家、C2QA研究员及论文共同通讯作者刘明钊解释道。

在这项工作中，研究人员为每个SQUID器件设计了两个超导收缩结，而非传统约瑟夫森结（由绝缘层隔开两个超导层）。该团队此前提出，这种通过细导线连接超导层的结构有望使transmon量子比特更适于大规模生产。新研究首次在功能性量子器件中实验验证了收缩结的可行性。

SQUID作为诊断工具，揭示了收缩结的工作机制。利用CFN的低温测量系统，研究人员将器件冷却至350毫开尔文的极低温，测量了不同外加磁场下电流通过SQUID的特性。

“我们发现器件整体设计会制约收缩结的性能，”刘明钊指出，“但实验证明收缩结展现出高性能量子比特所需的关键特性，例如非线性效应。”

从纳米测量到中心协同

此类突破得益于C2QA固有的跨学科集成研究模式。通过整合国家实验室、高校、应用研发机构及行业资源，该中心正在加速推进可制造硅基材料高性能量子比特的研发进程。

论文合著者、NY Creates量子技术研究科学家埃克塔·巴蒂亚表示：“这项成果彰显了C2QA框架下与布鲁克海文的强大合作效能，将推动可扩展量子计算的发展。我们期待在此基础上深化合作，共同驱动量子创新。”

除布鲁克海文与NY Creates的合作外，其他C2QA研究人员也在硅基量子器件领域持续突破。例如2025年11月，普林斯顿大学的C2QA团队报告了硅基底超导量子比特创纪录的相干时间，证明硅基平台性能可媲美甚至超越传统蓝宝石平台。

通过从器件设计、材料科学到规模化制造的多维度攻关，C2QA研究人员正产生超越个体成果总和的协同效应。

布莱克总结道：“我们正在构建充分发挥各合作伙伴优势的研发生态，向着可扩展量子系统稳步迈进。”

C2QA由美国能源部科学办公室资助。