Diraq联合IMEC：半导体工艺量产的硅自旋量子点实现高保真比特操控

　　近日，澳年夜利亚新南威尔士年夜学（UNSW）孵化的量子草创公司Diraq，与比利时半导体研究机构IMEC结合，正在《天然》颁发重要结果：他们哄骗尺度的12英寸晶圆半导体工艺创造的硅自旋量子比特单位完成了保真度凌驾99%的单比特与双比特量子门。这象征着，硅量子芯片再也不只是试验室里的“手工艺品”，而是无望走向年夜范围、尺度化、产业化的产物。

　　相干研究论文于9月24日正在以“Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity（产业出产的硅自旋量子比特单位保真度凌驾 99%）为题颁发正在国际学术期刊《天然》(Nature)上。

　　已往试验室中建造的硅量子比特器件，虽机能优秀，但一致性差、难以扩大。这次冲破的要害正在于，Diraq团队初次将硅自旋量子点搬上了与CMOS兼容的晶圆工艺线，并正在多个器件上坚持了高程度的机能。研究职员拔取了四个量子比特单位，全数完成了单、双比特操作保真度凌驾99%，态制备与丈量（SPAM）保真度更是高达99.9%；同时，器件揭示出极佳的量子相关性：自旋寿命 T₁ 最长达9.5秒，Ramsey相关时间 T₂*为40.6微秒，自旋回波（Hahn Echo）下的 T₂ 靠近1.9毫秒。这些指标已跨过完成量子纠错所需的要害门坎。

　　图1：a，正在 300 毫米晶圆上创造的 Diraq 双量子比特器件的示用意，从下到上显示了整片晶圆、单芯片以及单器件的层级布局。b，器件A的电荷波动性图和参数设定点：单比特门（J_off < 1 千赫兹，三角形）、双比特门（J_on ≈ 1 兆赫兹，倒三角）以及读出（星形）。

　　这一结果背地有诸多技能走光。资料方面，团队应用了高度同位素提纯的²⁸Si（核自旋为0）资料，显著升高了衬底残存核自旋（²⁹Si核自旋仅剩万分之四）的磁噪声惹起的退相关。布局方面，采纳三层重叠的多晶硅栅极，栅极间距小于100纳米，并集成为了单电子晶体管（SET）用于高活络读出，同时正在芯片上安插了微波天线以完成电子自旋共振（ESR）操控。操作前提上，器件事情正在约10毫开尔文的浓缩制冷机中，外加约0.66–0.7特斯拉的静磁场。单比特门由准确的微波脉冲完成自旋翻转，双比特CZ门则经由过程J互换门调控电子间的彼此作用来完成。为确保成果靠得住，研究团队采纳了严酷的门层析（Gate Set Tomography，简写为GST） 要领对量子门举行周全表征，并阐发了误差来历。成果显示，首要限定要素仍然来自残存核自旋杂质，将来可经由过程进一步的同位素提纯优化。

　　图2：比利时微电子研究中间（IMEC）出产的来自统一晶圆的16组量子点器件的栅极开关特征（EB1, P1, J, P2, EB2, RG, CBs）。正在1开尔文探针台测试中均表示出很是一致的开关曲线。

表1：器件机能的可反复性

　　与以往只展示单个高机能器件的试验室演示没有同，本研究凸起了一致性与可反复性——四个器件的机能高度靠近(如表1)，这标明正在产业前提下出产的硅自旋量子比特芯片也能做冲破容错阈值的量子操控，为硅自旋量子计较芯片的范围化奠基了根蒂根基。

　　然而，这项事情其实不象征着硅自旋量子计较已具有应答年夜范围集成的应战。今朝，以后硅基量子比特范围的国际最早进程度来自UNSW的Michelle Si妹妹ons团队，正在一个芯片里集成为了11个量子比特，间隔量子计较的第一个里程碑——“量子计较优胜性”还存正在较年夜差距。要完成年夜范围以致实用化的硅基量子处置惩罚器，仍需逾越多重体系级应战：包含资料中的残存核自旋以及界面缺陷、高温驱动电子时的热功耗、不计其数布线的互连与封装、高并行度的量子态读取方案、恒久运转中的主动化校准与漂浮弥补，和逻辑量子比特所需的复杂纠错开支等等。

　　这些技能应战已超越纯真半导体工艺优化的领域，必需依赖资料、节制电子、封装工程与软件等多个范畴的恒久协同成长。而半导体工艺的价值正在于，待硅基量子计较的多比特高保真度操控以及年夜范围集成技能完成冲破后，可以较快基于半导体产线构建产业级量子计较芯片创造链。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09531-9