量子比特耦合与系统集成：量子计算硬件的核心突破

量子计算的终极目标是构建大规模、高精度的量子处理器，而量子比特（qubit）的耦合与系统集成是实现这一目标的核心挑战。从超导量子比特的微波操控到硅基量子点的异质集成，全球科研团队在2025年取得多项突破性进展。本文将深入解析量子比特耦合的物理机制、系统集成的关键技术，以及未来发展方向。

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​一、量子比特耦合：从局域到长程的跨越​

量子比特的耦合强度与方式直接决定了量子门的保真度和计算效率。传统方案中，量子比特通过电容、电感或微波谐振腔实现局域耦合，但长程相互作用仍是难题。

​1. 耦合机制的技术演进​

• ​电容耦合​：超导量子比特通过共享超导线路实现耦合，但受限于距离（通常<100微米）。IBM的量子处理器采用此方案，门保真度达99.9%。
• ​谐振腔介导​：利用微波谐振腔的集体模式，实现非邻域量子比特的耦合。2025年，南京大学团队提出多模腔诱导长程耦合方案，通过注入光子诱导量子比特间的纠缠相位，在100纳秒内实现保真度99%的CZ门。
• ​光子总线​：硅基量子点通过光子介导实现远程耦合。悉尼大学开发的低温CMOS芯片，利用光子链路将量子比特与控制电路分离，减少热噪声干扰。

​2. 最新突破：三维腔与异质集成​

• ​三维超导架构​：谷歌团队将超导量子比特嵌入三维微波腔，耦合距离扩展至毫米级，退相干时间延长至0.5毫秒。
• ​硅-超导异质集成