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超越单片平面架构的限制、实现超导量子处理器的规模化扩展，是容错量子计算的关键。本文展示了一种三维（3D）集成超导量子处理器，其中两个量子比特芯片垂直堆叠在载板芯片的两侧，并通过多层倒装焊键合实现电学连接。芯片内量子比特耦合由平面可调耦合器实现，而芯片间耦合则由嵌入载板芯片的垂直可调耦合器实现。随机基准测试显示，同时运行的单量子比特门保真度达99.87%，且串扰可忽略不计；受控-Z门在芯片内和芯片间操作中的平均保真度均达到97.5%。我们进一步展示了高保真贝尔态制备以及四量子比特$W$态的相干生成，证实了该架构在芯片间纠缠分发方面的能力。这些结果确立了垂直耦合作为一条有前景的技术路径，可用于构建与先进量子纠错码兼容的可扩展量子处理器。