院士领衔、Nature连发，硅基量子计算终于要跑通摩尔定律了？

硅自旋量子比特因继承传统半导体产业的工艺红利，被视为容错量子计算最有潜力的路线。

最近，《Nature》刊登了两个重要成果，分别解决了在硅量子处理器中连接和控制“量子晶体管”的难题。

Undseth等人实现了一种具有可重构长程连接能力的量子处理器，HRL团队则描述了一个由在低温（几乎和量子处理器同样的温度）下运行的电子器件所控制的处理单元。

在此之前，国内科研团队在硅基量子计算领域也有新进展。

深圳国际量子研究院团队在原子级精度加工的硅基量子芯片上实现了从逻辑量子态制备、通用逻辑门操作，到量子算法演示的完整验证。在材料上，中核集团旗下科研机构宣布实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产。 

这些突破表明，曾被认为要在数十年才能走出实验室的硅基量子计算，正走向工程化的临界点。

站在巨人的肩膀上

可能有人会问，为什么是硅？其实很简单，因为它站在巨人的肩膀上。

半导体技术经过数十年的发展，传统计算机现已在微小的硅芯片上集成了数十亿个晶体管。硅基量子比特（主要是自旋量子比特）最大的优势，就是它能借用这套成熟的CMOS制造工艺。这不像超导量子比特或者离子阱那样，需要从零开始搭建一套复杂的硬件体系。

但借用产线只是第一步。量子计算机不是简单的晶体管堆叠，它需要非常精密的控制。每一个量子比特都要有独立的微波脉冲、直流电压来控制。如果要把量子比特规模从几个扩展到几百个、几千个时，只是连线的复杂度和产生的热量，就足以摧毁脆弱的量子态。

基于半导体（通常为硅）的量子处理器，可提供紧凑、高良率且低成本的量子比特，但在实现规模化之前仍面临若干工程挑战。

其一是自旋量子比特通常仅在极短距离内发生相互作用——但学界广泛共识认为，先进的纠错方案要求对远距离量子比特之间可重构的长程相互作用进行精细工程设计。此外，硅自旋量子比特通常需在低温下工作，而生成控制信号的常规电子学一般工作在室温环境。

为构建可重构长程相互作用，Undseth与合作者采用了一个可移动量子比特，该量子比特在总长1.2微米的距离上往复穿梭，从而能够与四个静止量子比特发生相互作用。远距离量子比特的连通能力使得处理器不同部分间的相互作用可按需重构。 

研究展示了称为多量子比特奇偶校验的能力，此为量子纠错所必需。可移动量子比特的引入降低了对量子比特高密度阵列排布的需求，因其赋能了非最近邻量子比特间的相互作用。这为控制与读取硬件创造了更多空间，并缓解了布线拥塞及量子比特间的非期望串扰。 

HRL团队聚焦于在保持低误码率的同时控制大型量子处理器的挑战。大多数量子计算实验使用室温电子学，通过大量布线连接至置于低温制冷机中、处于低温状态的量子芯片。随着处理器规模扩大，控制电子学产生的热量会抬升量子比特温度并破坏量子信息。

克服此问题的一种途径是构建能够在更接近量子硬件自身温度条件下的控制电子学。

HRL团队利用超导互连，将工作在150毫开尔文的硅量子处理器与工作在4开尔文的控制电子学相连。该互联方案将近300根独立导线集成于仅一厘米宽的单层带状结构中，可稳定传输调控信号，并将控制电子学产生的热量阻隔于量子处理器之外。

室温子系统仅向低温控制器下发基础数字指令，制冷低温电路自身搭载独立存储单元，构成小型嵌入式计算单元，可在量子处理器近端自主完成复杂调控信号生成运算。

综合来看，这两组研究结果表明，量子计算领域已经从单量子比特演示快速发展至复杂精密的量子处理器阶段。

图：硅量子处理器中的高效连接与控制

HRL团队采用一种最多可容纳18个量子比特的处理器架构，在包含最多7个量子比特的电路上执行了量子错误检测协议。其控制系统能够在计算过程中反复检测并纠正错误。

Undseth等人则证明，可移动量子比特能够在五个量子比特的任意组合之间生成量子纠缠。两项研究均采用模块化设计，这意味着其中的组件有望被复制，并集成到规模更大的系统之中。

逻辑原型闭环

量子计算潜力巨大，但环境噪声引起的计算错误是量子计算走向实用的最大障碍。容错量子计算是根本解决方案，其核心是将信息编码到“逻辑量子比特”中进行冗余和纠错，如同为信息穿上“防护衣”。

硅基自旋量子比特因相干时间长、操控精度高、与现有半导体芯片工艺兼容的天然优势，被视为实现大规模量子处理器最具前景的平台之一。硅平台近年来确实取得了极大的进展，但是实现容错逻辑编码、通用逻辑操作至今都是核心难题。

就在今年3月，在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院贺煜研究员课题组在硅基量子计算方面取得里程碑式的突破。

这一工作是国际上首次在原子级精度加工的硅基量子计算芯片上，演示了从通用逻辑门操作到变分量子算法的“全栈”逻辑运算要素，完成了硅基逻辑量子计算机的原型验证，为该体系从物理量子比特到容错逻辑编码的关键跨越。

他们利用一种极其精密的原子级加工技术，在硅片上用磷原子团簇构建了量子处理器。在这块芯片上，他们用4个物理核自旋编码出2个[[4,2,2]]逻辑量子比特。

[[4,2,2]]码是量子错误探测中最小的编码单元之一。它能够检测部分比特翻转错误和相位翻转错误，并为后续构建级联式量子纠错结构奠定实验基础。

图：容错制备的逻辑态

团队不仅制备了逻辑态，还验证了完整的通用逻辑门集。研究包括逻辑克利福德门，以及利用测量诱导方式实现的逻辑T门。

该门是构建通用量子计算机必需且难以实现的关键组件，与克利福德门组合后就能够执行通用量子计算任务。这标志着在硅基平台上构建通用容错量子处理器所需的全部核心逻辑部件均已就绪。

更有实际意义的是，团队直接在两个逻辑比特上运行变分量子本征求解算法，精确计算出水分子（H₂O）的电子基态能量，计算结果与理论值误差只有20 mHa，离化学精度已经很近。这也证实了该逻辑编码方案运行实用量子算法的可行性。 

同时实验还制备出容错计算必需的逻辑魔术态，保真度超过魔术态蒸馏理论阈值，并且观测到硅自旋体系典型的强偏置噪声特性：相位翻转错误远多于比特翻转错误，该特性可以用来设计资源开销更低的纠错编码方案，为容错架构改进提供实验参考。

材料基石

硅基量子计算的规模化，不仅取决于器件和控制系统，也取决于材料本身。

自然界中的硅是三种同位素的混合体，其中含有约4.7%的硅-29，它带有一个核自旋。这对于半导体晶体管没影响，但对自旋量子比特而言，硅-29就像是一个噪音源，会破坏量子相干性。

因此要造硅基量子芯片，必须把硅-29踢出去，把硅-28的丰度提上去。

此前高丰度硅-28长期被海外少数机构垄断，不仅昂贵，还存在卡脖子的风险。今年6月15日，中核集团核工业理化工程研究院宣布实现硅-28自主量产，丰度超过99.99%。

图：硅-28稳定同位素产品

来源：中核集团 

这次突破恰逢《核技术应用产业高质量发展三年行动方案（2024—2026年）》收官之年，标志着我国在构建自主可控、协同高效的稳定同位素产业格局方面迈出实质性步伐，推动了我国核技术应用产业从“点状突破”向“链式发展”跃升。

中国科学院院士俞大鹏表示，这一突破彻底解决了硅基量子计算“无米之炊”的燃眉之急，为我国硅基量子计算实现规模化比特操控铺平了道路。

有了稳定廉价的硅-28，大规模制造低噪声的硅基量子芯片才有了物质基础。

硅中的磷原子核自旋具有天然的优势，其与环境的耦合极弱，在纯化的硅-28同位素衬底中，相干时间可长达数秒。

基于这一特性发展而来的“14|15平台”（因硅与磷在元素周期表中的位置得名），通过精密制造技术把单个磷原子放置在纳米尺度范围内，使多个核自旋通过超精细相互作用与单个共享电子耦合，形成多核自旋寄存器，这种结构天然具备量子非破坏（QND）读出能力和原生多量子比特门，为高效量子操控提供了可能。

此前SQC发表在《Nature》的“硅基11量子比特原子处理器”，通过创新性地构建电子交换耦合通道，把两个多核自旋寄存器（4P和5P）互联起来，在提升量子比特规模的同时保持了99%以上的门操作保真度，为硅基量子计算的模块化发展奠定了关键技术基础。

总之，硅基量子处理器的发展是否会复制传统半导体芯片的崛起，是一个关键的技术问题。这些研究结果表明，打造实用量子计算机的挑战既是工程学问题也是物理问题，并预示这一目标正快速走向实际应用。

对于产业界，这也意味着投融资的逻辑可能需要调整。以前大家关注的更多的是比特数、保真度，现在可能需要更多关注CMOS兼容工艺、低温控制芯片、同位素材料等等。

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-026-02124-0

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/gVnDWI_5-ufAEwtp9QdYhA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/rPA3w6gT5Ko9sNJ4c0M7dQ

[4]https://news.qq.com/rain/a/20260615A04GWL00?id=20260615A04GWL00&path=a&app=news&suid=&redirect_pc=1