规模与保真度兼得：硅基11量子比特原子处理器实现高保真纠缠

　　2025年12月，澳年夜利亚硅量子计较公司（SQC）与新南威尔士年夜学（UNSW）的研究职员正在硅基量子计较范畴取患上重要进展。该团队哄骗扫描地道显微镜（STM）光刻技能，正在硅晶体中准确构建了一个包括11个量子比特（2个电子自旋以及9个核自旋）的原子级处置惩罚器。该事情正在硅基原子处置惩罚器这一系统与以后范围下，规避了常见的“范围增长而保真度降落”趋向：跟着处置惩罚器中量子比特数目的增长，其单比特以及双比特逻辑门保真度不只未受噪声累积影响，反而划分坚持正在99.99%以及99.5%的极高水准。

　　这项事情初次正在硅中展示了基于“自然原子”的多寄放器全毗连架构，验证了哄骗核自旋作为超长命命存储器、电子自旋作为节制与耦合前言的可行性。这不只标记着硅基原子创造技能到达了单原子精度的产业极限，也为将来构建高密度、低纠错开支的硅基量子计较机供给了确实的试验依据。相干论文于12月17日以“An 11-qubit atom processor in silicon”为题颁发正在国际学术期刊《天然》。

　　走光小结

　　1. 范围增长而保真度没有落：正在扩大至11个量子比特的历程中，并未泛起常见的机能衰减。试验测患上单量子比特门保真度达99.99%，双量子比特门保真度达99.5%，均冲破了容错量子计较的阈值。

　　2. 原子级创造工艺：哄骗STM氢光刻技能，以原子精度（<1 nm）放置磷原子，构建了由两个“核自旋寄放器”经由过程电子互换彼此作用耦合的紧凑架构。

　　3. 高保真量子非粉碎性（QND）读出： 完成了基于单电子晶体管（SET）的自旋-电荷转化读出，这类量子非粉碎性丈量许可对核自旋举行重复读取，从而极年夜压低了读出误差。

　　4. 多体纠缠制备：正在处置惩罚器上胜利制备了逾越两个寄放器的GHZ纠缠态，证实了体系具备全毗连（all-to-all）的相关节制才能。

图1：(a)11个量子比特的超精致耦合强度（MHz），(b) STM 图象显示原子级处置惩罚器布局

　　试验平台：基于磷原子的双寄放器架构

　　这项事情的量子芯片是基于同位素纯化的硅-28衬底制备。与产业界（如Intel、imec）采纳的栅极界说量子点（gate-defined quantum dots）线路没有同，Michelle Si妹妹ons团队采纳的是“檀越原子（donor）”线路。

　　处置惩罚器由11个量子比特构成，分为两个模块：寄放器A（包括4个磷原子核自旋）以及寄放器B（包括5个磷原子核自旋）。每一个寄放器同享一个电子自旋，这造成了“4核+1电子”与“5核+1电子”的组合。为了完成两个模块间的耦合，研究团队将两个寄放器的间距准确节制正在 ~13 nm 摆布。这一极小的标准是必需的，是由于电子波函数互换彼此作用（exchange interaction）会随间隔指数衰减。这类基于STM的原子级创造工艺，虽然正在产量上不迭传统CMOS光刻，但正在物理情况的一致性以及量子比特的相关寿命上具备显著上风，被视为通往极致机能的“原子微雕”工艺。

　　焦点技能：核自旋寄放器与电学QND读出

　　1. 基于中间自旋模子的核自旋寄放器架构

　　该架构的设计灵感正在物理上与Tim Taminiau团队（QuTech）正在金刚石NV色心系统中的事情有异曲同工之妙。体系哄骗电子自旋与四周核自旋的超精致彼此作用，将核自旋作为极长命命的“存储单位”，而电子自旋则作为“节制单位”以及“通讯总线”。SQC团队胜利将这一正在金刚石中验证的物理机制，移植到了更具产业远景的硅资料中。

　　2. 基于SET的量子非粉碎性（QND）读出

　　为了读取强劲的核自旋状况，试验采纳了一种纯电学的读取方案，而非光子探测。该技能哄骗电子自旋作为“探针”，经由过程“自旋-电荷转化（spin-to-charge conversion）”机制事情：

　　①  映照：核自旋的状况会经由过程超精致彼此作用转变电子自旋的共振频次。

　　②  隧穿：施加特定脉冲后，仅有处于特定状况的电子会隧穿到临近的储层（reservoir）。

　　③  探测：单电子晶体管（SET）作为超活络电荷计，可以或许检测到单个电子隧穿惹起的电旌旗灯号尖峰。

　　由于核自旋的状况正在读取后坚持没有变，这一历程长短粉碎性的。这使患上体系可以举行屡次反复读取（repetitive readout），可以经由过程统计学显著升高单次丈量的随机噪声。

图2：跨两个寄放器的多比特 GHZ 纠缠态制备

　　试验演示：全毗连纠缠与误差按捺

　　研究团队正在试验中展示了该处置惩罚器壮大的逻辑门操作才能。经由过程准确节制电子波函数的堆叠，他们正在两个相距约13nm的寄放器之间完成了可控的互换耦合（SWAP操作），从而连通了原本自力的两个量子模块。

　　正在此根蒂根基上，团队胜利制备了触及大批子比特的GHZ态，并举行了详尽的量子历程层析。试验数据标明，即便正在触及多达10个以上量子比特的操作中，体系仍然坚持了高度的相关性。更重要的是，经由过程对误差源的深度阐发，研究职员发明这类原子级加工技能有用按捺了传统半导体量子芯片中常见的电荷噪声以及由栅极布局引入的串扰。这诠释了为什么该体系正在范围扩展时，保真度并未像预期那样降落——这类“反直觉”的特征，恰是原子级创造的间接盈余。

　　瞻望：通往百万比特的应战与机缘

　　这项事情是硅基量子计较从“道理演示”迈向“高机能模块”的重要里程碑。SQC团队证实了，要是能以原子精度创造芯片，硅基量子比特的物感性能下限极高。这类高保真度特征象征着正在将来的容错架构中，可能只要要更少的物理比特就能编码一个逻辑比特。

　　然而，从11个原子迈向通用量子计较仍面对应战：起首是创造效率，今朝的STM原子组装技能近似于“手工微雕”，相比于imec以及Intel基于300妹妹晶圆厂的CMOS工艺（近期已完成>99%保真度），其年夜范围扩大性仍需工程冲破。其次是模块互连，虽然本事情解决了纳米标准的短距互连，但怎样像超导线路完成跨芯片、长间隔的模块化互连，仍是硅基原子线路需求回覆的问题。

　　综上，该事情确立了“自然原子”正在硅基量子计较中的奇特职位地方：作为一种寻求极致物感性能的技能线路，它将与产业界的“人造原子（量子点）”线路正在竞争与交融中，配合鞭策硅基量子计较迈向容错时代。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09827-w