量子计算机利用量子力学的叠加、纠缠的原理进行计算和模拟,对于特定任务的计算速度可以超过所有经典计算机,能快速求解部分目前无法在经典计算机上多项式时间内求解的问题,在多体系统的量子模拟、量子化学、大数质因子分解、随机数据库搜索、线性方程组的求解等问题上都有着显著优势。能实现量子计算的方案包括超导量子计算,离子阱量子计算,光学量子计算,半导体量子点量子计算等。超导量子计算通过制备在芯片上的基于约瑟夫森结的超导量子电路来实现。由于超导量子芯片的加工工艺是在成熟的半导体工艺的基础上进行改进和发展而来,能进行集成和大规模扩展,且可以实现对量子比特的高精度操控和高保真度读取,所以极具发展潜力。在超导量子计算的发展进程中,实现超导量子芯片的大规模高性能扩展是极其重要的研究课题,关乎到超导量子计算机能否投入实际应用以及实现通用可容错的量子计算。近年来,超导量子计算已经在高保真度量子门的实现,量子模拟和量子纠错等问题上取得了一系列突破。然而,此前的超导量子芯片的量子比特排布结构多为一维链状结构或者准二维的梯子结构,并且所有量子比特的控制线和读取线都引出到芯片边缘实现信号的输入和输出。随着量子比特数目的增加,这样的结构难以扩展,会带来布线拥挤和信号串扰等一系列问题。并且一维链结构的连通性低,而量子比特连通性的提高可以缩短实现量子算法所需的线路深度,使得量子算法得以高效、高保真度地实现。另外,实现表面码量子纠错方案也需要近邻耦合的二维阵列结构。因此,实现二维量子比特排布的超导量子芯片是量子芯片的集成化道路上的关键步骤和必经之路。本论文分别从超导量子芯片及其封装结构的设计,以及量子芯片的制备工艺出发,解决了量子芯片从一维链结构向二维结构扩展面临着的布线、压制串扰、压制腔模、实现良好接地等难题,实现了包含64个量子比特的二维腔耦合量子处理器“祖冲之号”（实验中实际可用量子比特数为62个）,这是当时世界上已发表的量子比特数目最多的超导量子处理器。从设计的角度出发,作者先进行了一维链结构的12量子比特芯片的设计,并从一维链结构出发,实现了可扩展的二维结构。二维结构的量子芯片通过通孔结构的创新设计实现了量子芯片中央的引线,缩短了布线长度,减小了量子比特间的串扰;通过XY控制线和Z控制线的复用减少了控制线数目;通过对读取腔和滤波器的设计实现了量子比特的高保真度读取;设计了腔耦合的结构,每个量子比特和与其相邻的量子比特之间通过谐振腔进行耦合,实现了二维可扩展的耦合结构。对于量子芯片封装,通过发明并联的导电金属柱结构有效地压制了腔模,并实现了量子芯片的高精度控制。从制备的角度出发,作者研发了针对二维腔耦合结构大面积超导量子芯片的微纳加工工艺,实现了 32 mm×32 mm范围内大面积超导共面波导线路,高密度空桥的稳定、均一、高精度制备,提高了二维量子比特阵列的约瑟夫森结室温电阻的稳定性,研发了用于加工量子芯片中央通孔的激光切割技术。通过对“祖冲之号”二维腔耦合量子处理器性能的并行标定和优化,实现了高保真度的控制和测量,并在该处理器上首次实现了超导体系的单粒子和两粒子的可编程二维量子随机行走和马赫-曾德尔干涉仪。基于二维量子随机行走的算法能在空间搜索等问题上实现相对于经典算法的加速,可编程的二维量子随机行走可以处理量子输运、神经网络和图论等问题,是实现通用量子计算的可行方案之一。本论文对于二维量子处理器以及二维量子随机行走的实现是超导量子计算领域的一个重要进展,为实现量子计算优越性和复杂系统的量子多体模拟奠定了基础,并有可能在未来应用于量子搜索算法以及通用量子计算。