硅基兼容超导量子器件，迈向规模化量子系统

自20世纪50年代起，硅材料推动了电子产业的变革，催生了更小、更快、可规模化可靠制造的电子器件。六十多年后的今天，硅基半导体仍是包括传统 “经典” 计算机在内的众多现代技术的核心。为探索全新量子技术，科学家与工程师开始采用特殊材料构建量子比特，即量子系统的基本单元。例如，许多量子比特由沉积在蓝宝石衬底上的超导材料制成。但要从实验室演示走向可规模化系统，仍需要能够支撑稳定、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取得了一项里程碑式突破，填补了这一差距。他们使用一类与硅工艺兼容的材料 ——过渡金属硅化物，制备出超导量子干涉器件（SQUID）。这项研究隶属于量子优势协同设计中心（C2QA），该中心是由布鲁克海文实验室牵头，C2QA主任、布鲁克海文实验室能源与光子科学部副主任、该论文共同通讯作者 Charles Black 表示：“使用过渡金属硅化物制备量子器件，这种思路可以直接对接半导体产业已有的成熟制造体系。”

这张经伪彩色处理的透射电子显微照片展示了硅化铂纳米线的截面。

研究团队与C2QA合作单位NY Creates紧密协作，借鉴先进微电子制造技术开发了一套制备工艺。借助布鲁克海文实验室能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心（CFN） 纳米加工平台的光刻与刻蚀能力，研究人员改良了一种常用于制备微处理器中过渡金属硅化物的成熟工艺。

“我们采用了这种易于工业化制造的方案，以便未来可以在NY Creates平台上进行更大规模的量产。”CFN 高级科学家、C2QA研究员、论文共同通讯作者Mingzhao Liu解释道。

研究人员为每个超导量子干涉器件（SQUID）设计了两个超导窄点结，而非传统的约瑟夫森结（由两层超导体夹一层绝缘体构成）。作者此前提出，这种由细线连接超导层的结构，有望让传输子量子比特更适合大规模制造。这项新工作是该结构首次在可工作量子器件中得到实验验证。

SQUID被用作诊断工具，用以分析窄点结的工作特性。借助 CFN 的低温测量平台，研究人员将器件冷却至350 毫开尔文的极低温，并测量了不同外加磁场下电流在SQUID中的传输行为。“我们发现，器件整体设计会抑制窄点结的性能。”Liu 表示，“但总体而言，实验证实窄点结具备高性能量子比特所需的关键特性，例如非线性电导。”

通过整合国家实验室、高校、应用研发机构与产业界的技术专长和设施条件，该中心正加速推进基于可制造硅基材料的高性能量子比特研究。“这项成果体现了我们与布鲁克海文在C2QA框架下紧密合作的力量，并加速了可规模化量子计算的发展。我们期待在此基础上与布鲁克海文继续携手，共同推动量子创新。”NY Creates 量子技术研究科学家、论文作者 Ekta Bhatia 表示。

除布鲁克海文与NY Creates的合作外，C2QA其他研究人员也持续在硅基量子器件领域取得突破。例如，2025年11月，普林斯顿大学的C2QA团队报道了硅衬底超导量子比特创下的相干时间纪录，证明硅基平台可媲美并超越传统蓝宝石平台。

C2QA研究人员从器件设计、材料科学、大规模制造等多个维度共同攻克规模化难题，形成了远大于个体成果之和的协同效应。Black 表示：“我们正在构建一条能够充分发挥C2QA各合作方优势的技术路线，稳步迈向可规模化量子系统。”