發明它的人，十八年後把它變好了十五倍
而他做的事情，說出來有點掃興：換掉了那顆晶片底下墊的材料。
不是新的物理，不是新的量子位元類型，甚至不是新的電路設計。就是把一片藍寶石換成一片矽——而且是半導體業每天量產幾百萬片的那種矽。
Google Quantum AI 的硬體首席科學家、2025 年諾貝爾物理獎得主 Michel Devoret 對這件事的評語是：延長量子電路壽命這個題目，多年來是許多物理學家的「點子的墳場」。
這是什麼
先講三個詞
Transmon（傳輸子量子位元）——目前主流的超導量子位元。物理上它是一個「音階不平均的振盪器」：用微波脈衝去彈它，因為音階間距不相等，你能精準地只在最低的兩個音之間跳，把那兩個音當成 0 和 1。
相干時間——量子資訊在裡面能存多久才漏光。這是量子電腦的「電池續航力」。
TLS（二能階系統）——材料表面與介面上的原子級缺陷。它們會吸走能量，是目前量子位元損耗的主要來源。
生活場景：一口鐘
想像一口鐘。你敲它一下，它會響。響多久，取決於三件事：
- 鐘體的材質——有沒有雜質
- 鐘體表面的細微裂痕——裂痕會把振動能量偷走，變成熱
- 鐘座——鐘掛在什麼上面。掛在會吸能的木架上，餘音就短
過去十幾年，整個超導量子界都在磨鐘體表面。
主流用的是鋁和鈮。鈮的超導溫度高、看起來是完美材料，但它有個致命缺點：一暴露在空氣中就長出一層天然氧化物，而那層鏽佈滿了缺陷。
那層鏽是海綿。
2021 年，普林斯頓的團隊換成了鉭。鉭的氧化層更像一層薄漆。這一步把相干時間首度推過 0.3 毫秒，是當時的世界紀錄。
然後就卡住了，卡了四年。
機制拆解：問題出在鐘座
2023 年一篇論文把損耗來源拆開，答案有點難堪：表面和塊材的貢獻差不多大。
也就是說——裂痕不只在鐘體表面，鐘座本身也在吸能。
只磨表面，永遠停在 0.3 毫秒。
於是 2025 年的做法是兩管齊下：
| 鐘的零件 | 真實機制 | 改了什麼 | |---|---|---| | 鐘體材質 | 超導金屬層 | 維持鉭 | | 鐘體表面裂痕 | 表面缺陷 | 用強酸清洗製程污染 | | 鐘座 | 基板的介電損耗 | 藍寶石 → 高電阻率矽 | | 鐘舌 | 約瑟夫森接面 | 低污染沉積製程 |
為什麼一定要用鉭？
論文共同第一作者 Faranak Bahrami 給了一個跟量子力學完全無關的理由：
「你可以把鉭泡在酸裡，它的性質還是不會變。」
要把製造過程留下的污染清乾淨，你得用非常兇的清洗程序。鋁和鈮撐不住那種清洗——你把髒東西洗掉的同時，也把材料本身洗壞了。鉭撐得住。
洗乾淨之後，團隊做了更關鍵的一件事：他們發展出量測「下一層損耗來源」的方法。量出來的答案是——剩下的損耗主要來自藍寶石基板本身。
於是把基板換成高電阻率矽。
代價是：在矽上直接長鉭很難，兩種材料的本質性質不合。團隊得先克服一系列技術障礙。
結果
- 45 顆量子位元，平均品質因數 9.7 × 10⁶
- 最佳單顆對應壽命（T₁）達 1.68 毫秒
- 相較 2021 年的 0.3 毫秒，約 5.6 倍
一句話總結
他們沒有做出更好的鐘，他們把鐘座從吸能的木頭換成不吸能的石頭——而那塊石頭，恰好是半導體業已經量產了五十年的東西。
那個「十五倍」到底在比什麼
這是一個值得拆開來看的地方，因為媒體大多照抄新聞稿。
普林斯頓的說法是：新量子位元的壽命是「實驗室最佳紀錄的三倍，接近業界大規模處理器標準的十五倍」。
把兩個基準還原：
| 比較對象 | 數值 | |---|---| | 本次成果 | 1.68 毫秒 | | 2021 年前世界紀錄 | > 0.3 毫秒 → 約 5.6 倍 | | IBM 2026 年旗艦處理器（中位數） | 350 微秒 → 約 4.8 倍 | | 「業界標準大規模處理器」（推算） | 約 110 微秒 → 約 15 倍 |
所以「十五倍」比的不是最新的旗艦，是業界大規模處理器的一般水準。
兩個數字都是真的，但意思差很多。
為什麼「換塊材料」比「發明新架構」更值錢
量子運算界過去十年出現過大量更聰明的架構提案。它們在紙上都比 transmon 好。
但它們有一個共同問題：採用成本極高。換架構等於換掉控制電子、校準流程、編譯器、以及所有累積的工程經驗。
這次的成果繞開了整個問題：架構沒變，還是標準 transmon；矽比藍寶石好做，半導體業的整條產線都是為它建的。
用主持人 Nathalie de Leon 自己的話：
「我們指出了關鍵步驟和使這種相干時間成為可能的重要底層特性，這使得任何在做規模化處理器的人現在都相當容易採用。」
在一個所有人都在比誰的架構更聰明的領域裡，贏的可能是那個把既有架構做得更好做的人。
比喻到此為止
鐘的比喻在這裡失效：
鐘的餘音是聲波在空氣中衰減，那是古典的能量耗散，這部分對得上。
但量子的相干性沒有古典對應物。鐘不會「同時響兩個音」，量子位元可以處於疊加態；鐘不會因為你「看它一眼」就停止振動，量子態會因為測量而塌縮。
比喻只負責帶你到「什麼在偷走能量」為止。再往前，就得用量子力學。
還沒定案的事
學術樣品 ≠ 量產良率。 45 顆位元的平均值很漂亮，但商用處理器是幾百到幾千顆。良率分布的尾巴才是決勝點——一顆爛位元就可能拖垮整片晶片。論文沒有回答這個。
在矽上長鉭很難。 論文自己說克服了「一系列技術障礙」。難的東西在實驗室做得出來，不代表在產線上做得出來。
還沒有第三方獨立複現。 單一實驗室的結果，無論多漂亮，都還不是產業事實。
延伸閱讀
這篇講的是機制與那個「十五倍」怎麼來的。
如果你想知道為什麼壽命的改善會讓整台機器的成本以平方的速度下降、這件事怎麼從一個沒有量子背景的化學家的一句建議開始、以及我們寫下了哪六條判定條件——那些在研究筆記〈發明它的人，十八年後把它變好了十五倍〉裡。
來源
- Nature（2025-11-05），Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits — 連結
- Princeton Engineering（2025-11-05），Princeton's new quantum chip built for scale — 連結
- Nature Communications（2021），Place et al.，鉭 ＋ 藍寶石相干時間突破 0.3 毫秒 — 連結
- IBM Quantum 路線圖 — 連結
本文為科學技術之教育性資訊，不構成任何投資建議。