突破毫秒壁垒：超导transmon量子比特实现近毫秒级能量弛豫与退相干时间

研究团队针对超导transmon量子比特操作保真度受限于能量弛豫时间(T1)和回波退相干时间(T2echo)的瓶颈问题，通过优化设计、制备工艺与测量系统，实现了T1中值425μs（最高666±33μs）和T2echo中值541μs（最高1057±138μs）的突破性指标，为构建实用化量子计算机提供了关键技术支持。

　　

在量子计算竞赛中，超导量子比特犹如赛道上的法拉利，而量子相干时间则是决定其能跑多远的"油箱容量"。尽管transmon量子比特因其结构简单、性能稳定成为主流选择，但长期以来，其能量弛豫时间(T₁)和回波退相干时间(T₂^echo)始终徘徊在数百微秒量级，成为制约量子算法实际应用的阿喀琉斯之踵。芬兰阿尔托大学（Aalto University）与芬兰量子技术公司IQM的研究团队通过材料、工艺和测量系统的协同创新，成功将transmon量子比特的相干性能推向近毫秒级新高度，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用电子束光刻制备曼哈顿结构约瑟夫森结、CF₄等离子体刻蚀铌膜、原位氩离子铣削等关键技术，在6英寸高阻硅衬底上制备了包含Purcell滤波器的四量子比特芯片。通过稀释制冷系统结合双磁屏蔽结构，使用Xilinx RFSoC数字控制系统和行波参量放大器(TWPA)进行精确测量。

结果部分
器件设计与表征
芯片包含四个transmon量子比特（Q1-Q4），其中Q2为固定频率设计（2.89 GHz），测得谐振器线宽2.63 MHz，色散位移χ/2π=1.24 MHz。通过两次降温测量发现，Q2在首次测量中T₂^echo最高达(1057±138)μs，但T₁测量因等待时间不足失效；第二次测量采用优化后的TWPA泵浦方案，获得T₁最高(666±33)μs和T₂^echo(806±78)μs的可靠数据。

工艺创新
采用0.5%稀氢氟酸预处理去除铌/硅表面氧化物，通过双层MMA/PMMA光刻胶堆叠实现约瑟夫森结的悬垂结构。铝结沉积采用45°倾斜蒸镀结合三次氧化工艺（1.2 mbar/5 min→20 mbar/10 min），关键突破在于预切割晶圆减少大气暴露时间，以及150°C六甲基二硅氮烷(HMDS)气相退火延缓表面氧化。

测量系统优化
QCage磁屏蔽样品架结合锡镀铜屏蔽层，将环境磁场噪声降低至1μT以下。实验发现TWPA泵浦虽不显著影响相干时间，但可将T₁测量不确定度从5%降至3%，这归因于信噪比提升带来的拟合精度改善。

讨论与展望
该研究创造了transmon量子比特T₁和T₂^echo的文献记录，其工艺可扩展性已在三维腔样品中得到验证。值得注意的是，二次降温后相干时间下降可能源于环境 fluctuators（ fluctuators）重分布或表面氧化，这提示未来需开发更稳定的表面钝化技术。研究者公开了版图设计文件与完整工艺参数，为产业界实现毫秒级量子比特提供了可复制的技术路线。正如通讯作者Mikko Mottonen教授指出，这项突破使超导量子处理器向实现实用化量子纠错算法迈出了关键一步。