硅量子计算（“SQC”）最新成果的真实度高达99.99%，为量子计算领域树立了新的里程碑。通常，当量子系统增加量子比特数量并变得更复杂时，质量会下降，SQC架构则相反。随着量子比特数量增加，量子比特质量增强。这是容错商业规模系统的关键要求。

12月17日，新南威尔士大学和硅量子计算有限公司（“SQC”）组成的研究团队在《Nature》发表题为“An 11-qubit atom processor in silicon”（硅基11量子比特原子处理器）的研究论文，Hermann Edlbauer、Junliang Wang为论文共同第一作者，Michelle Y.Simmons为论文通讯作者。

本研究成功构建了一个由两个多核自旋寄存器组成的11量子比特原子处理器，这些寄存器通过电子交换相互作用连接。通过改进校准与控制协议，研究实现了保真度范围在99.10%至99.99%之间的单量子比特门和多量子比特门。通过纠缠所有局域与非局域核自旋对的组合，研究全面评估了处理器的性能，并实现了高达99.5%的先进贝尔态保真度。

随后，生成了量子比特数递增的Greenberger–Horne–Zeilinger（GHZ）态，并展示了多达八个核自旋的纠缠。通过在互连的核自旋寄存器间建立高保真度操作，实现了原子处理器迈向容错量子计算的一个关键里程碑。

这标志着硅基14/15平台（即利用硅中的磷原子）正式从实验室的“单点突破”阶段，迈入了“模块化系统集成”的新纪元。

SQC创始人兼首席执行官Michelle Simmons表示：“在大多数量子系统中，规模化的代价是性能的牺牲。随着规模扩大，我们的系统质量不断提升，这是一项巨大的成就，我们很自豪能与世界分享。这反映了我们在材料、架构和设计方式上的精心选择，使我们有望交付世界上首台商用规模量子计算机。”

研究背景

量子计算的核心挑战在于如何平衡量子比特的“相干性”与“可控性”。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。这意味着量子信息能够在其中长时间保存，为高保真度的量子操作提供了基础。

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），通过精密制造技术将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）读出能力与原生多量子比特门，为高效量子操控提供了可能。

然而，该平台长期面临的关键挑战在于如何实现多寄存器间的量子互联。此前研究最多实现单个寄存器内的4量子比特操控，而跨寄存器的量子纠缠保真度始终难以突破容错量子计算的理论阈值。

本研究构建的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，成功将两个多核自旋寄存器（4P和5P）互联，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。

处理器结构设计

该11量子比特原子处理器基于同位素纯硅-28材料构建，核心由两个独立的多核自旋寄存器组成：

一个包含4个磷原子核自旋（n₁-n₄）与1个共享电子（e₁）的4P寄存器，以及一个包含5个磷原子核自旋（n₅-n₉）与1个共享电子（e₂）的5P寄存器，共计9个核自旋数据量子比特与2个电子辅助量子比特，共11个量子比特。

每个寄存器内的磷原子通过超精细相互作用共享一个电子，而跨寄存器连接则通过电子间可调谐的交换相互作用实现。这种“核自旋存储+电子自旋互联”的架构既利用了核自旋的长相干特性，又通过电子自旋实现快速量子门操作。

图：11量子比特原子处理器的单量子比特特性

原子级制造精度是成功的关键。两个寄存器的中心间距被精确设计为13nm，通过氢残留光刻技术精确定位。这种原子级间距控制确保了交换相互作用的可调性，同时最小化电荷噪声影响。处理器在20mK超低温环境下运行，依托同位素纯化硅-28衬底将核自旋相干时间提升至传统器件的100倍以上。

控制与读取协议

量子比特的精准校准是实现高保真度操作的前提。面对11量子比特系统庞大的参数空间，研究团队开发了具有线性扩展特性的校准协议。

传统方法需单独校准96个电子自旋共振频率，而新协议通过建立频率关联模型，仅需测量参考配置即可推断全部参数，即仅需两次测量即可完成全部96个频率的重新校准，将校准效率提升48倍。这种“一次测量、全局优化”的策略为更大规模量子处理器的可控性提供了解决方案。

核自旋量子比特的初始化通过核磁共振（NMR）技术与条件π脉冲相结合实现。为最大化初始化保真度，实验在每次运行前都会对两个寄存器的核自旋配置进行量子非破坏性（QND）读取，并通过后选择技术筛选出目标初始状态。对于未参与当前量子门操作的“旁观者量子比特”，均将其初始化为特定基态，确保其对目标操作的干扰最小化。

量子态的读出同样依赖于电子辅助量子比特的QND技术，通过自旋-电荷转换将量子态信息转换为可探测的电信号，最终实现核自旋量子态的高对比度读出，这一过程的有效性在拉比振荡实验中得到了验证。所有数据量子比特均呈现出高对比度的振荡曲线，证明了初始化与读出流程的高可靠性。

高保真度量子操作与多量子比特纠缠

本研究令人瞩目的数据在于逻辑门的保真度。在量子计算中，99%通常被视为容错计算的门槛，而SQC团队将这一标准推向了新高度。

（一）高保真度单量子比特与双量子比特门

单量子比特门通过NMR（核自旋）与ESR（电子自旋）技术实现，利用精准的微波脉冲控制量子比特的旋转角度。实验结果显示，除n₄量子比特外，所有量子比特的门保真度均超过99.90%，其中n₅量子比特的保真度高达99.99%。

双量子比特门（如CZ门）的性能同样表现突出。在寄存器内部，采用几何相位控制门实现核自旋间纠缠，其CZ门保真度达到99.90%。跨寄存器的电子CROT门保真度为99.64%，在不同核自旋配置下均能保持99%以上的高保真度，证明了电子交换相互作用作为跨寄存器连接机制的可靠性。

图：核自旋与电子自旋的高保真度双量子比特操作

这些结果表明，该处理器在量子比特规模扩展的同时，成功维持了极高的单量子比特与多量子比特操作保真度，满足了容错量子计算的核心要求。

（二）局域与非局域贝尔态纠缠

贝尔态是检验量子纠缠的基础载体，其生成保真度直接反映量子处理器的纠缠能力。

在单个寄存器内部，研究团队成功生成了所有四种最大纠缠贝尔态，通过量子态层析（QST）测量，所有局域贝尔态的平均保真度达到99.2%，峰值保真度高达99.5%，这一数值是目前半导体器件中报道的最高贝尔态保真度。

在跨寄存器非局域贝尔态实验中，通过电子交换相互作用实现了不同寄存器核自旋对（如n₄与n₉）的纠缠，四种非局域贝尔态的平均保真度达到97.2%，最高保真度为97.0%。

图：局域与非局域贝尔态表征

非局域贝尔态保真度略低于局域贝尔态，主要由于非局域CZ门的操作时间更长，受到环境噪声与退相干的影响更大。但这一结果已充分证明，通过电子交换相互作用实现跨寄存器高保真度纠缠是可行的，为量子处理器的模块化扩展提供了关键支撑。

（三）多量子比特GHZ态纠缠

Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态是检验多量子比特纠缠的重要载体，其生成能力直接反映量子处理器的全连通性与规模化潜力。研究团队从三量子比特GHZ态（n₄、n₆、n₉）开始，逐步增加纠缠的核自旋数量，通过局部与非局域CZ门的组合，成功生成了量子比特数递增的GHZ态。

实验结果显示，三量子比特GHZ态的保真度为92%，随着量子比特数量的增加，GHZ态的保真度逐渐下降，但当纠缠核自旋数量达到8个时，其保真度仍高于50%。这一数值是证明“真正多量子比特纠缠”的临界阈值，表明该处理器能够实现最多8个核自旋的有效纠缠。

图：非局域多量子比特GHZ态

GHZ态保真度的下降主要源于量子比特数量增加导致的误差累积与串扰效应，但通过优化脉冲序列与相干控制技术，这一性能仍有提升空间。

研究成果

这项研究突破的意义不仅在于量子比特数量的提升，更在于探索出可扩展的模块化路径。本研究构建的基于硅基14|15平台的11量子比特原子处理器，实现了量子比特规模、操作保真度与连通性的协同提升。

通过将系统分解为多个核自旋寄存器并通过电子链路互联，既避免了直接扩展单寄存器的控制复杂性，又通过模块化设计提高了系统容错能力。实验展示的线性校准扩展性、跨模块纠缠能力以及99.9%的双量子比特门保真度，均已接近表面码量子纠错的要求阈值。

同时，本研究提出的具有线性扩展特性的校准协议，证明了对于基于寄存器结构的处理器，标定所需的步骤随寄存器数量呈线性增长，而非随比特数指数增长。这种高效的控制协议为未来扩展至数十甚至数百个比特提供了可行的工程化路径。

总之，本研究标志着硅基量子计算从单器件优化向系统集成的重要转变。与工业级半导体工艺的兼容性使其更具产业化潜力，为未来构建大规模量子处理器提供了切实可行的技术路径。在量子计算从实验室走向实际应用的过程中，这种“原子制造+模块化集成”的技术路线有望成为支撑量子优势实现的关键基石。

原文参考链接https://www.nature.com/articles/s41586-025-09827-w

本文转载自公众号 光子盒