邓纯青团队携原达摩院技术积淀亮相！“荷花 II”22比特处理器突破Fluxonium规模化瓶颈！

在超导量子计算从“NISQ”迈向规模化容错的关键阶段，量子比特架构的选择决定着技术路线的未来。长期以来，Transmon比特凭借易制备、易操控的优势成为行业主流，但随着比特数量攀升，其弱非谐性与密集耦合带来的频谱拥挤、串扰加剧等问题，逐渐成为大规模并行高保真运算的“天花板”。

而Fluxonium比特凭借本征噪声防护、大非谐性与长相干时间的天然优势，被视为下一代更适合容错计算的核心单元，可此前始终未能突破“小比特演示”到“多比特规模化集成”的关键鸿沟，成为全球量子硬件领域的共同难题。

2026年4月，粤港澳大湾区量子科学中心邓纯青、王腾辉团队在arXiv预印本平台发表题为“Scalable Fluxonium Quantum Processors via Tunable-Coupler Architecture”（基于可调耦合器架构的可扩展 Fluxonium 量子处理器）的研究论文。

本研究基于可调耦合器架构成功研制可规模化Fluxonium量子处理器，并在22比特“荷花 II”处理器上完成系统性验证，实现并行单比特门保真度逼近99.99%、两比特CZ门最高保真度突破99.9%，并确定性生成10比特GHZ纠缠态，首次严格证明Fluxonium架构可无病理扩展为大规模量子处理器，为我国在新型超导量子硬件赛道抢占国际领先地位奠定核心基础。

作为项目的总负责人与核心通讯作者，邓纯青全面主导了本次研究的芯片架构设计、实验方案规划、核心技术攻关、数据解读与论文凝练全过程，是这项里程碑式工作的掌舵人与核心推动者。其带领的团队深度传承了原阿里巴巴达摩院量子实验室在Fluxonium领域的长期技术积累，实现了从原理创新到工程化、规模化的完整跨越。

从Transmon瓶颈到Fluxonium机遇，规模化难题待解

超导量子计算凭借强相互作用、电路设计灵活、兼容大规模光刻制备等优势，稳居量子硬件主流路线。过去十余年，全球科研机构与科技企业均围绕Transmon比特推进处理器扩容与精度提升，在并行量子操作、复杂算法演示与量子纠错原型验证上取得一系列突破。但Transmon的固有缺陷在规模化过程中日益凸显：弱非谐性导致计算能级与非计算能级间距小，易发生能级泄漏；密集电容耦合引发频谱拥挤与非预期串扰，大幅降低并行门保真度，制约系统进一步扩展。

Fluxonium比特作为差异化替代路线，凭借大电感带来的本征噪声防护、显著非谐性与丰富能级结构，可实现更长相干时间与更高操控精度，此前在小比特系统中已验证高保真门操作潜力。但规模化集成面临致命挑战：如何在多比特阵列中实现可控相互作用，同时保持比特间有效隔离，抑制残余耦合与旁观者误差，此前可调耦合器虽在小体系中得到验证，但能否扩展为多比特晶格而不产生新型相互作用病理，全球尚无明确答案。

与此同时，我国Fluxonium硬件研究已积淀深厚实力。以邓纯青为核心的技术团队，前身源自阿里巴巴达摩院量子实验室，长期深耕Fluxonium比特全链条技术，是国际上最早推进该路线工业化的团队之一。2022年，团队研制两比特Fluxonium芯片，实现单比特门保真度99.97%、双比特门最高保真度99.72%，创下当时全球同类比特最佳性能；后续又突破快速初始化技术，300纳秒内完成比特初始化且保真度超99%，并创新重叠约瑟夫森结工艺，解决Fluxonium规模化制备难题，相干性能达到可扩展平面结构超导比特全球顶尖水平。这些前期积累，为本次“荷花 II”22比特处理器的突破筑牢了技术底座。

模块化FTF单元+频谱分离设计，从根源破解串扰

邓纯青团队提出的核心创新，是构建模块化Fluxonium-Transmon-Fluxonium（FTF）单元作为处理器基本积木，从架构层面解决规模化串扰与隔离矛盾。该设计采用一维链式排布，相邻Fluxonium比特通过中间Transmon耦合器实现电容耦合，耦合器作为唯一交互通道，彻底阻断比特间直接耦合路径。

与传统方案依赖干涉抵消耦合不同，团队独创大失谐解耦机制：将耦合器工作频率调至远高于Fluxonium计算能级，通过频率失谐参数式抑制残余相互作用，无需精细校准即可实现强隔离，大幅提升系统鲁棒性与可扩展性。同时，团队利用Fluxonium丰富的多能级结构，设计分层频谱分配方案：计算态跃迁（100–500 MHz）、等离激元跃迁（4–5 GHz）、读出谐振器（5–5.5 GHz）分属不同频段，实现门操作、比特重置、状态读取的完全解耦，降低参数关联与工艺误差影响，为并行高保真操作提供理论保障。

在两比特门实现上，团队采用磁通量脉冲激活+微波驱动的CZ门方案：通过磁通量脉冲将耦合器调至与 Fluxonium等离激元跃迁共振，激活比特-耦合器杂化系统，再用选择性微波驱动实现计算态条件相位积累，全程抑制非计算态泄漏，兼顾门速度与保真度。这套理论架构既保留Fluxonium高相干、高非谐优势，又通过模块化设计实现“即插即用”式扩展，为多比特处理器搭建提供清晰路径。

从4比特验证到22比特“荷花 II”，全链条自主研制

为验证架构可行性，团队采用分级验证策略：先在4比特模块化芯片上完成核心性能标定，再无缝扩展至22比特“荷花 II”处理器，确保技术一致性与可扩展性。

芯片制备全程自主可控：以2英寸c切蓝宝石为衬底，采用钽薄膜基底电路、曼哈顿型阴影蒸发制备 Al/AlOx/Al约瑟夫森结、铝空气桥实现低损耗交叉，整套工艺兼容大规模集成。“荷花 II”处理器共集成22个Fluxonium比特与21个可调耦合器，比特间距约700微米，进一步抑制直接电容耦合；每个比特与耦合器配备独立磁通量偏置线与电荷驱动线，支持独立调控与并行操作。

实验在稀释制冷机中开展，自研控制电子学提供基带驱动、磁通量调谐与微波读取信号，输入线路经多级衰减与滤波抑制热噪声，输出信号经低温HEMT放大与高速采集，实现高精度量子态操控与读取。

实验内容覆盖四大核心维度：

-单比特与两比特门保真度标定；

-多比特并行操作性能验证；

-残余耦合与旁观者串扰定量表征；

-多比特GHZ纠缠态制备与保真度评估，全面检验架构规模化潜力。

超高保真+强抑制+大纠缠，三大突破验证规模化能力

（一）门操作精度逼近容错阈值，并行性能国际领先

在4比特模块化芯片上，团队实现并行单比特门平均保真度近99.99%，最优达99.992%；CZ门经优化后，32纳秒超快实现最高保真度99.9%，重复测量平均保真度99.78%。随机电路采样（RCS）显示，并行执行两组两比特门操作时，每周期保真度分别达98.16%与98.78%，与单独门操作性能相当，证明并行操作无明显串扰损耗。

扩展至22比特“荷花 II”处理器后，全芯片并行单比特门平均保真度超99.9%，最优比特逼近99.99%；两比特CZ门平均保真度95.65%，最优达99.26%，相干时间T1最高203微秒，平均超100微秒，整体性能处于国际Fluxonium 硬件第一梯队。

（二）残余耦合与旁观者误差被极致抑制

规模化核心瓶颈是串扰，团队对“荷花 II”进行系统串扰测试：耦合器关闭时，残余ZZ耦合全部低于1千赫兹，残余XX耦合低于10千赫兹；执行两比特门时，旁观者比特状态几乎不影响目标门操作，频率偏移抑制在200千赫兹以内，相位误差低于0.005弧度。这意味着该架构在多比特阵列中，可实现“操作时强耦合、空闲时强隔离”，彻底解决 Transmon架构难以规避的串扰难题，为大规模并行计算提供关键保障。

（三）10比特GHZ态确定性生成，创Fluxonium纠缠规模纪录

团队通过并行CNOT门序列，在“荷花 II”上确定性制备N比特GHZ态，经量子态层析验证3比特、5比特态保真度优异；通过奇偶振荡测量，成功生成10比特GHZ态，保真度52%，超过真多体纠缠阈值，是目前国际Fluxonium平台实现的最大规模多比特纠缠。实验结果与基于单、双比特门保真度的误差模型高度吻合，证明保真度衰减仅来自门操作累积误差，无架构性额外损耗，再次验证架构无病理扩展的核心优势。

Fluxonium正式迈入规模化时代，定义下一代硬件路线

这项成果的核心意义，在于首次严格证明Fluxonium-可调耦合器架构可扩展为大规模多比特处理器，无新型相互作用病理，终结“Fluxonium仅适合小比特演示”的行业认知，使其成为与Transmon并跑、甚至在容错场景更具优势的主流路线。

具体价值体现在三方面：

• 架构革新：模块化FTF单元+大失谐解耦，简化多比特校准、降低工艺敏感度，兼容二维扩展，为百比特、千比特级Fluxonium处理器提供清晰蓝图；

• 性能突破：单比特门逼近99.99%、CZ门达99.9%，相干时间与串扰抑制能力满足规模化运算需求，支撑更复杂量子算法；

• 技术传承与突破：团队延续前达摩院量子实验室Fluxonium全链条技术积累，在邓纯青主导下完成从工艺、芯片、控制到系统验证的自主创新，“荷花 II”成为我国自主可控新型超导量子硬件的标志性成果。

结合团队此前成果：两比特高精度门、300纳秒超高速初始化、重叠约瑟夫森结规模化工艺，再到本次22比特可扩展处理器，我国已形成Fluxonium硬件从核心理论、芯片制备、控制电子学到系统集成的完整自主技术链，在国际新型超导量子比特赛道建立领先优势。

邓纯青领衔攻坚，迈向二维规模化与容错计算

本项研究由粤港澳大湾区量子科学中心独立完成，邓纯青为项目总负责人与通讯作者，全面统筹研究方向、架构设计、实验推进与论文撰写；王腾辉负责核心实验执行，Ze Zhan、Zishuo Li为共同一作，团队成员覆盖芯片设计、微纳加工、测控系统、数据标定全环节，是一支高度协同的硬核量子硬件团队。

面向未来，团队已明确下一步路线：将FTF模块化架构扩展至二维晶格，采用双Transmon耦合器适配更大比特间距与多近邻耦合，进一步抑制杂散电容，实现更高连接性与可扩展性；持续优化工艺与操控技术，进一步提升门保真度与相干均匀性，向容错量子计算核心目标推进。

从Transmon到 Fluxonium，从孤立比特到22比特规模化处理器，邓纯青团队用“荷花 II”的突破性成果宣告：Fluxonium不再是实验室里的“新型比特”，而是可工程化、可规模化、可支撑实用量子计算的下一代主流超导量子平台。随着技术持续迭代，我国有望在新型量子硬件领域率先突破容错瓶颈，为全球量子计算发展提供中国方案。

https://arxiv.org/html/2604.13363v1