从粤港澳量子科学中心再起航：邓纯青团队量子控制架构，直指百万比特扩展！

近年来，超导量子处理器在构建更大规模量子系统方面取得快速进展，多个实验平台已实现百量子比特量级。然而，超导量子处理器的规模化扩展，正日益受到从室温向毫开尔文温度下的量子比特传输高分辨率模拟信号所伴随的布线、热负载与校准开销的制约。

4月28日，粤港澳大湾区量子科学中心邓纯青、祝莎莎团队在超导量子控制领域取得重要进展，相关成果以“Millikelvin digital-to-analog converter for superconducting quantum processors”（用于超导量子处理器的毫开尔文数字-模拟转换器）为题发表于arXiv预印本平台。胡睿梓、李宗元、姚展成为论文共同第一作者，邓纯青、祝莎莎为论文共同通讯作者。

本研究成功将单磁通量子（SFQ）编程的极低温数字-模拟转换器（DAC）与高相干Fluxonium量子比特集成在多芯片模块架构中，打破了传统静态偏置控制的扩展性枷锁，证明了高度集成的数字控制单元不会对量子比特的相干性造成破坏。研究表明，单磁通量子可编程毫开尔文数字-模拟转换器可作为数字控制超导量子处理器的核心构建模块，为百万比特级超导量子处理器的规模化落地扫提供了新思路。

这项工作值得关注的地方在于，它把超导量子计算长期绕不开的“控制线扩展性问题”，放在了一个真正面向大规模系统的框架中处理。作为该成果的负责人及通讯作者，邓纯青长期围绕高相干Fluxonium量子比特、低损耗工艺与可扩展控制架构开展研究。

从前期高相干Fluxonium晶圆级均匀性工艺，到此次把SFQ数字逻辑、毫开尔文DAC与Fluxonium集成到同一验证平台，技术脉络非常清晰。可以说，这项工作体现了邓纯青团队在高相干量子器件与低温数字控制路线上的系统性推进。

大规模超导量子计算，卡在“线”上

超导量子计算凭借成熟的制备工艺、优异的量子相干性，成为当前最接近实用化的量子计算技术路线。短短数年，全球科研团队已将超导量子处理器规模从个位数比特推进至百比特量级，谷歌、IBM、中科院等机构相继推出代表性平台。但随着量子比特数量指数级增长，传统控制架构一对一的室温布线模式，完全无法支撑规模化扩展。

在经典控制体系中，每个量子比特都需要独立控制线连接室温电子学，控制通道数量随比特数线性增长。当比特规模达到千级、万级时，线缆数量、热负载、空间占用、校准成本都会快速失控。

ETH Zurich等团队早在百比特低温系统工程研究中就指出，低温布线、热锚定、滤波、衰减和空间布局本身已经成为超导量子处理器规模化的核心挑战。国内也有团队提出面向500比特规模的高密度低温布线方案，试图通过更紧凑的线缆和封装技术缓解问题。但这些方案本质上仍是在把线做得更好，并未根本改变控制线随量子比特数近似线性增长的问题。

因此，全球正在探索多条可扩展控制路线。Google、IBM等发展三维集成和多芯片封装，缓解平面布线拥塞；Intel、imec、TU Delft等推进低温CMOS（cryo-CMOS），希望把部分室温电子学下沉到4K甚至更低温区；McDermott等团队则发展SFQ单磁通量子超导数字逻辑，利用低功耗量子化脉冲实现低温数字控制。

与此同时，D-Wave在量子退火处理器中已长期使用片上可编程磁通DAC，通过复用寻址控制数千个量子比特和数万个耦合器，证明超导系统并不必然依赖“一比特一线”。

邓纯青团队的毫开尔文SFQ可编程DAC，正是在这个方向上的关键探索。它把高相干Fluxonium、低温超导数字逻辑、本地持久模拟偏置和多芯片集成放在同一个实验平台中验证，为解决超导量子计算的“线缆墙”问题提供了一条清晰路径。

多芯片模块架构，实现量子比特与控制电路分离集成

邓纯青团队的创新之处在于，首次在多芯片组件架构中，完成SFQ可编程毫开尔文DAC与高相干磁通量子比特的无缝集成。该DAC利用超导环路的非线性特性（rf-SQUID结构）来存储磁通，但其独特之处在于完全兼容成熟的SFQ脉冲路由与解复用技术。这一研究由邓纯青全面主导方案设计、实验推进与成果落地。

图：SFQ可编程DAC架构与设备实现

简单来说，传统的控制方式是“模拟直连”，而邓纯青团队采用的是“数字编码+本地解码”。SFQ脉冲作为信息的载体，通过解复用树（DEMUX）精准地找到目标DAC。每个DAC接收到脉冲后，会确定性地在环路中增减一个磁通量子，从而产生持续的直流偏置电流。这种设计将原本需要成千上万根线才能完成的静态偏置任务，压缩到了对数级别的控制线数量——理论上，仅需log₂(n)条控制线即可寻址n个DAC，极大地释放了布线压力。

值得一提的是，为了兼顾量子比特的高相干性与控制电路的复杂性，研究团队采用了先进的多芯片模块（MCM）倒装焊架构：量子比特芯片与控制电路芯片分开制造。

量子比特芯片采用极简的、高相干性的工艺（如蓝宝石衬底上的铝基工艺）；而控制电路芯片则可以采用更复杂的多层超导工艺。两者通过铟柱（In bump）在微米级精度下对准键合。这种设计使得邓纯青团队能够分别对高相干比特和复杂控制电路进行独立的工艺优化，避免了“一刀切”带来的性能损失。

一步一个磁通量子，相干性完好无损

实验的核心问题是，引入DAC后会不会破坏量子比特的相干性？邓纯青团队在低于20毫开尔文的极低温环境下，对集成了SFQ可编程DAC的磁通量子比特进行了系统表征。

研究团队首先验证了DAC的可编程性。实验中，团队通过调节编程脉冲幅度，可清晰观察到DAC输出的磁通增量随脉冲幅度变化的平台区，每个平台对应一个磁通量子的精准步进。测得最小可编程步进约为4.8毫磁通量子，即千分之几磁通量子量级。

图：DAC操作原理与特性

随后，研究团队进一步验证了SFQ编程兼容性。校准后的SFQ脉冲可以让DAC输出随脉冲个数近似线性变化，每个脉冲对应约4.58毫磁通量子的量子比特外部磁通偏移。这说明，该器件不是只能靠外部模拟脉冲“粗略拨动”，而是真正可以由SFQ数字脉冲逐步、确定性地编程。

图：SFQ编程DAC操作

更重要的是相干性测试。研究团队将DAC与Fluxonium集成后，在传统偏置线控制和DAC控制两种情况下比较量子比特退相干行为。实验结果显示：

DAC改变量子比特工作点时，并未引入额外可分辨的退相干或能量弛豫通道，平均能量弛豫时间约为82±17微秒，退相干数据与常见的1/f磁通噪声模型相符，噪声水平也与未集成DAC的Fluxonium结果处在相近范围。

图：在DAC控制下的量子比特表征

总之，实验结果表明，低温DAC能够靠近高相干量子比特工作，同时没有明显破坏量子比特性能。这一点对未来集成控制至关重要。

与D-Wave方案的异同：传承与分野

谈到超导量子芯片的可扩展控制，D-Wave是绕不开的参照，上述我们也提到了D-Wave。将邓纯青团队的工作与D-Wave的方案并排审视，可以看到两者在技术路线上的清晰传承与关键分野。

在共同点上，两者都采用了翻转芯片的多芯片模块架构，将高相干量子比特芯片与复杂控制电路芯片分离；都以磁通存储为核心机制实现持久偏置；都验证了DAC集成不会显著损害磁通量子比特的相干性。这些共同点表明，两个团队在技术判断上高度一致：多芯片分离加磁通数字控制，是当前最具可行性的规模化控制路径之一。

在关键差异上，D-Wave的Φ-DAC通过外部低频模拟脉冲编程，而邓纯青团队的DAC通过SFQ数字脉冲编程。这一差异在工程意义上举足轻重。SFQ逻辑是超导量子计算领域公认的低温数字控制候选技术，已有多个团队演示了用SFQ脉冲直接驱动量子比特门操作。邓纯青团队的工作将静态参数调节（DAC编程）与动态门操作（SFQ驱动）统一在同一套数字控制框架下，为构建完全数字化的低温控制栈奠定了基础。

此外，D-Wave的Φ-DAC采用多级级联结构，通过电感梯形网络实现不同精度的步进，设计较为复杂。邓纯青团队的DAC结构相对简洁，单级即可实现约4.8毫磁通量子的步进精度，配合全局粗调偏置，足以满足实际需求。

从应用场景看，D-Wave的技术根植于量子退火处理器的工程实践，其向门模型量子计算的迁移更多是一种技术平移，而邓纯青团队从一开始就面向门模型量子计算的规模化需求进行设计，SFQ兼容性是其核心设计目标之一。

不过，二者都证明了，本地磁通DAC可以与Fluxonium共存，并且不必然成为相干性瓶颈。

邓纯青领衔，构建全数字化低温控制栈

这项工作的深层意义在于，它指明了一条通往全数字化低温控制栈的路径。

在系统架构层面，SFQ可编程DAC承担静态磁通偏置的配置功能，SFQ动态逻辑承担量子门操作的驱动功能，两者共享同一套超导电子学平台。快速门操作与慢速校准功能，均在统一的低温数字框架内实现，无需在室温与毫开尔文温区之间频繁传递模拟信号。

在功耗层面，DAC的静态存储特性确保了稳态功耗可忽略不计——这对毫开尔文温区的热预算管理至关重要，也是该方案向大规模量子比特系统扩展的重要前提。

在扩展性层面，log₂(n)的控制线增长规律，打破了“一比特一线”的线性扩展困局，为百万量子比特系统的控制架构提供了可行的工程路径。

本文通讯作者邓纯青，是国内Fluxonium量子比特领域的重要推动者之一。

他此前在Fluxonium量子比特领域已有深厚积累。2025年，其团队在Physical Review Applied上发表了关于晶圆级均匀性工艺制备高相干磁通量子比特的工作，系统研究了磁通量子比特的损耗机制，为后续大规模器件集成提供了坚实的量子比特工艺基础。

近期，邓纯青团队又在arXiv发布了22比特“荷花II”处理器相关成果，展示了首个可拓展磁通量子比特处理器，把高相干Fluxonium从单器件、少量器件验证推进到更大规模处理器层面。

在本次工作中，邓纯青主导了从系统架构设计、器件工艺到实验表征的全链条研究，将SFQ可编程DAC与高相干磁通量子比特的集成从概念推进至实验验证，并给出了面向规模化的完整控制架构方案。

总之，这一成果证明，源自量子退火领域的大规模片上控制技术，可以在不牺牲相干性的前提下，成功移植到门模型量子计算中，为百万级系统的控制架构奠定了坚实的技术基础。

[1]https://arxiv.org/abs/2604.25303

[2]https://d-wave-systems-inc-website.euwest01.umbraco.io/media/41upubz2/14-1090a-a_fluxonium-dac-control.pdf

[3]https://jxj.hangzhou.gov.cn/art/2020/12/8/art_1229407639_58936174.html

[4]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.23.044064

[5]https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-019-0072-0

[6]https://doi.org/10.1063/5.0287659

[7]https://arxiv.org/abs/2604.13363