Nature重磅！11量子比特系統破解規模魔咒，保真度飆升至99.99%

長期以來，量子計算行業受困于一個兩難的規模魔咒：為了追求算力，必須增加量子比特的數量；但隨著比特數量的增加，系統內部的噪聲和串擾便會呈指數級上升，導致計算結果變得毫無意義。

近日，一家名為 Silicon Quantum Computing（以下簡稱 “SQC”）的量子計算公司在 Nature 期刊發文，詳細介紹了一種能夠克服這一難題的新型處理器設計。該處理器利用經典計算機的核心材料——硅，并結合磷原子，成功實現了 11 個量子比特的互連。這不僅將互聯量子比特的數量提升了三倍，更關鍵的是，它在擴容的同時實現了高達 99.99% 的單量子比特保真度和 99.5% 的貝爾態保真度。

這一突破的核心，歸功于 SQC 獨有的原子級制造工藝。團隊利用掃描隧道顯微鏡，能夠在純硅晶圓上以 0.13 納米——也就是原子級別的精度進行圖案化，將磷原子精準定位。這種極致的工藝精度，正是實現商業化量子計算所必需的。

圖 | 11 量子比特原子處理器的單量子比特特性（來源：Nature）

在具體的硬件架構上，該設計在同位素純化的硅-28 晶體中，利用精密定位的磷原子構建了兩個多核自旋寄存器。其中一個寄存器包含 4 個磷原子，另一個包含 5 個，每個寄存器共享一個電子自旋。這兩個寄存器通過電子交換相互作用相連，從而實現了跨寄存器的非定域連接以及全部 11 個量子比特的聯動。

這項設計最引人注目的成就，在于它證明了“規模”與“質量”可以兼得。盡管超導、離子阱等技術路線此前已達到數百量子比特的規模，但它們在制造工藝和控制系統微型化方面始終面臨巨大的工程挑戰。相比之下，SQC 的論文作者自信地寫道：“在增加互連量子比特數量的同時，我們證明了物理級基準不僅得以維持，部分甚至有所提升。其中，雙量子比特門保真度在硅基量子比特中首次達到了 99.9%。”

（來源：SQC 官網）

在實驗中，該 11 量子比特系統中的每一對核自旋都實現了糾纏。寄存器內部的貝爾態保真度在 91.4% 到 99.5% 之間，跨寄存器的保真度則在 87.0% 到 97.0% 之間。研究發現，糾纏態在多達 8 個核自旋中仍能保持穩定。

未來，研究人員計劃在任意旁觀量子比特狀態下進行基準測試、優化控制脈沖、設計具有更強超精細耦合的寄存器，以及進一步增加量子比特數量。最終目標是利用這些技術加速開發強大的量子設備，以解決現實世界的問題。

SQC 所取得的成果，離不開這家公司的靈魂人物——Michelle Simmons。

圖 | Michelle Simmons（來源：UNSW）

這位出生于英國倫敦的女物理學家，早年在杜倫大學就讀，獲得物理與化學雙學位后，便進入了著名的劍橋大學卡文迪許實驗室。在 20 世紀 90 年代末，那里是全球物理學研究的圣地，擁有最頂尖的設備和最聰明的頭腦。然而，1999 年，Simmons 做出了一個令所有同行大跌眼鏡的決定：離開劍橋，移民澳大利亞。

她的理由簡單而純粹：她想要一個能夠容忍高風險、高回報的科研環境。當時的澳大利亞正在積極招募量子領域的頂尖人才，而新南威爾士大學更是給予了她充分的學術自由。

Simmons 的野心并非空中樓閣。1998 年，物理學家 Bruce Kane 在 Nature 上發表了一篇具有劃時代意義的論文，提出了利用硅中的磷原子核自旋構建量子計算機的理論構想。這個構想雖然美妙，但在當時的技術條件下，無異于天方夜譚，它要求人類必須具備在硅晶格中“像上帝一樣”移動單個原子的能力。

隨后的十年，Simmons 帶領團隊，利用掃描隧道顯微鏡（STM），在超高真空的環境下，開始了一場原子級別的“微雕”。他們需要將硅表面的氫原子一個個移除，然后精確地填入磷原子，最后再用硅層將其覆蓋。這個過程極其緩慢，容錯率幾乎為零。

直到 2012 年，Simmons 團隊成功制造出了世界上第一個“單原子晶體管”，宣告了人類終于掌握了在原子尺度上控制電子器件制造的能力。

然而，在實驗室里制造一個晶體管，與造出一臺可商用的量子計算機，中間隔著巨大的鴻溝。為了跨越這道鴻溝，2017年，SQC 正式成立，啟動資金高達 8300 萬澳元，投資方除了新南威爾士大學，還包括澳大利亞聯邦政府、新南威爾士州政府、澳大利亞聯邦銀行以及澳洲電信。

截至 2025 年，SQC 已獲得超過 2.8 億美元投資，包括 2023 年的 5040 萬美元 A 輪融資，用于開發世界上第一個可擴展的糾錯量子計算機。

作為創始人兼首席執行官，Simmons 面臨的挑戰從單純的科學難題變成了復雜的商業博弈。在全球范圍內，谷歌、IBM 等巨頭紛紛押注超導量子計算，因為這種方案更容易利用現有的微波工程技術進行快速擴展；而光量子路線的初創公司如 PsiQuantum 也備受資本追捧。

相比之下，SQC 選擇的硅基原子路線顯得異常“笨重”且進展緩慢。外界的質疑聲從未停止：用掃描隧道顯微鏡一個一個地撥弄原子，怎么可能實現大規模量產？這種工藝是否注定只能停留在實驗室？

面對質疑，Simmons 表現出了驚人的定力。她反復強調硅基路線的底層邏輯：硅是全球萬億美元半導體產業的基石。如果 SQC 能夠攻克原子級制造的工藝難題，他們將能夠直接復用現有的半導體產業鏈，實現真正的工業化生產。

目前，SQC 擁有超過 200 項專利和 250 篇同行評審論文。關鍵成就還包括一周內完成量子芯片制造周期，已進入 DARPA 量子基準測試計劃的 B 階段，并與 SkyWater 合作推進混合量子-經典計算。客戶包括Telstra（模型訓練加速）和澳大利亞國防部（機架式系統部署）。

截至 2025 年底，硅量子計算已成為量子計算領域最具可擴展潛力的技術路徑之一。全球量子計算市場規模預計在今年達到 35 至 50 億美元，而硅模態憑借與現有半導體工業的高度兼容性、秒級相干時間以及 99% 以上的門保真度，吸引了全球大量投資和政府支持。

除了 SQC 的突破，其他公司也取得了不錯的成果：Diraq 在 300mm 晶圓上實現了超過 99% 的兩量子比特門保真度；Quantum Motion 交付了全球首臺基于標準 CMOS 工藝的全棧量子計算機；Intel 則在推進 Tunnel Falls 芯片的均勻性制造。這些成果共同表明，硅量子計算正從實驗室原型加速邁向工業驗證與早期商用。

盡管目前的量子比特數量仍處于 10 到 100 的級別，距離超導或離子阱的規模尚有差距，但硅基路線憑借其微小的體積、長相干時間和巨大的制造擴展性，正被普遍視為 2030 年前實現實用容錯量子計算的最優路徑。

1.Edlbauer, H., Wang, J., Huq, A.M.SE. et al. An 11-qubit atom processor in silicon. Nature 648, 569–575 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09827-w

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Michelle_Simmons

3.https://www.commbank.com.au/guidance/newsroom/australian-of-the-year-professor-michelle-simmons-iwd-201803.html

4.https://www.startupdaily.net/topic/business/silicon-quantum-computing-built-a-bigger-better-faster-processor-chip/

5.https://thequantuminsider.com/2025/12/17/sqc-study-shows-silicon-based-quantum-processor-can-scale-without-loss-of-fidelity/

6.https://www.unsw.edu.au/staff/michelle-simmons

7.https://phys.org/news/2025-12-silicon-atom-processor-links-qubits.html

8.Kane, B. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature 393, 133–137 (1998). https://doi.org/10.1038/30156