硅基量子計算進階：這支團隊同時解決了邏輯計算和錯誤探測

科學(xué)家第一次用硅基量子計算機“算”出了水分子的能量。更重要的是，這次計算發(fā)生在一個能探測錯誤、能邏輯編碼的硅基量子系統(tǒng)中。而相關(guān)的兩項重要成果，都來自深圳國際量子研究院俞大鵬院士、賀煜研究員團隊。

在 Nature Nanotechnology 發(fā)表的成果中 [1]，研究團隊在硅基量子計算領(lǐng)域取得里程碑式突破。他們第一次利用五個磷原子核自旋實現(xiàn)了容錯通用邏輯量子門操作，不僅完成了從物理量子比特到邏輯量子編碼的關(guān)鍵跨越，還通過兩個邏輯量子比特計算出水分子（H?O）的電子基態(tài)能量。

該研究相當(dāng)于首次用量子計算機進行了一次“化學(xué)作業(yè)”實測。盡管其在精度方面還不能與傳統(tǒng)超級計算機相比，但從原理上證明，硅基量子計算可走通“編碼-糾錯-計算”的完整鏈條，為未來制備出實用化的硅基量子計算機提供了理論基礎(chǔ)。

圖丨研究團隊（來源：受訪者）

在 Nature Electronics 發(fā)表的成果中 [2]，研究團隊在量子錯誤探測上取得突破性進展。研究人員在原子級精度加工的硅基量子計算芯片上，首次演示了利用穩(wěn)定子測量方法直接探測任意單量子比特錯誤的可能性。

該研究在驗證硅基自旋量子比特具有高質(zhì)量糾纏的能力的同時，也為未來硅基大規(guī)模容錯量子計算的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。賀煜對 DeepTech 表示：“大規(guī)模容錯量子計算機未來還有很多環(huán)節(jié)需要逐一驗證。我們的技術(shù)相當(dāng)于補上了容錯量子計算中的一塊關(guān)鍵拼圖。”

從物理比特到邏輯計算：硅基量子芯片首次“算出化學(xué)問題”

賀煜本科和博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，師從潘建偉院士和陸朝陽教授。之后分別在陸朝陽教授課題組和澳大利亞新南威爾士大學(xué)米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）課題組從事博士后研究。

此前，他利用掃描隧道顯微鏡光刻技術(shù)制備了硅量子計算芯片，以單原子級別的精度將兩個磷原子量子點放置在 13 納米間距上，在硅量子芯片上實現(xiàn)了第一個高速兩比特門——800 皮秒的根號交換門，為大規(guī)模可擴展的硅量子計算奠定了基礎(chǔ)。

在量子優(yōu)勢方面，他與合作者利用光子的玻色抽樣方案結(jié)合新型多光子干涉儀，特定計算任務(wù)上首次實現(xiàn)了量子計算機對第一臺電子管計算機 ENIAC 和第一臺晶體管計算機 TRADIC 的超越。

此外，他還在固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)研究方向創(chuàng)新突破，實現(xiàn)了單光子到單電子的量子隱形傳態(tài)，開發(fā)了一整套全新的單光子頻率比特控制和測量方案，不僅驗證了單個光子和電子之間的糾纏，還把光子的量子信息傳遞到 5 米遠的電子自旋上。

2020 年 3 月，他回國加入南方科技大學(xué)、深圳國際量子研究院。憑借在量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)方面取得的一系列開創(chuàng)性成果，成為 2020 年“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35，簡稱 TR35）中國區(qū)入選者之一。

圖丨賀煜（來源：受訪者）

在此前的研究基礎(chǔ)上，在本次 Nature Nanotechnology 研究中，研究團隊采用掃描隧道顯微鏡氫掩膜光刻技術(shù)，以原子級精度加工了硅基量子處理器。由磷原子團簇構(gòu)成的量子計算架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)物理比特的良好尋址以及全聯(lián)通的高效多比特門。

賀煜指出，“這種門結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是連通性高和編譯效率高，為實現(xiàn)邏輯電路提供了關(guān)鍵支撐。為實現(xiàn)高保真操控，我們還設(shè)計了串?dāng)_抑制方案。”

[[4,2,2]] 編碼是一種資源需求極小的容錯編碼方案，研究人員基于 [[4,2,2]] 量子錯誤探測碼，只用五個物理量子比特即可實現(xiàn)編碼兩個邏輯量子比特，其中一個為輔助比特。

為驗證邏輯量子計算方面的效果，研究團隊進行了一系列實驗。首先，他們演示了邏輯量子態(tài)的容錯制備，其中包括邏輯糾纏態(tài)，并通過后處理篩選顯著提升保真度。在此基礎(chǔ)上，他們還進一步演示了完整的通用邏輯量子門集。

結(jié)果顯示，單、雙比特克利福德（Clifford）邏輯門皆得以實現(xiàn)。更重要的是，研究團隊通過測量誘導(dǎo)的量子門方法，實現(xiàn)了邏輯 T 門。賀煜解釋道：“該方法與未來容錯架構(gòu)兼容，而邏輯 T 門是構(gòu)建通用量子計算機的關(guān)鍵組件，它與 Clifford 門的組合為完成通用量子計算任務(wù)提供了可能。”

圖丨容錯制備的邏輯態(tài)（來源：Nature Nanotechnology）

在本次研究中，研究團隊展示了這種量子處理器的應(yīng)用潛力，并為邏輯編碼方案運行實用量子算法提供了可行性證明。研究人員首次在硅基邏輯量子比特上成功對實際問題進行求解。

他們在兩個邏輯量子比特上進行“變分量子本征求解”算法運算，值得關(guān)注的是，與理論值相比，在計算水分子電子基態(tài)能量方面的結(jié)果只存在 20 毫哈特里（mHa）的誤差值。這種精準的計算潛力，為未來達到化學(xué)精度奠定了基礎(chǔ)。

（來源：Nature Nanotechnology）

相關(guān)論文以《硅基量子處理器中的通用邏輯操作》（Universal logical operations in a silicon quantum processor）為題發(fā)表于 Nature Nanotechnology。深圳國際量子研究院、南方科技大學(xué)博士研究生張春輝、徐峰、張世航、深圳國際量子研究院研究員段明超是共同第一作者，俞大鵬院士、賀煜研究員、黃培豪副研究員、潘天洛副研究員擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Nanotechnology）

硅基量子錯誤探測突破：容錯計算補上關(guān)鍵一環(huán)

量子計算具有巨大潛力，但由于量子比特存在脆弱性使其容易出錯。高精度、高保真的量子糾錯技術(shù)是在量子系統(tǒng)進行信息編碼，實現(xiàn)未來大規(guī)模通用量子計算的必經(jīng)之路，通常需要用穩(wěn)定子（stabilizer）進行錯誤探測和糾正。然而，在以往的研究中，硅基量子計算領(lǐng)域始終未能突破驗證所需精確操控比特的數(shù)量。

（來源：Nature Electronics）

此前，新南威爾士大學(xué)教授西蒙斯團隊在 Nature 發(fā)表論文，證明了量子門保真度，在原子級路線上實現(xiàn) 11 比特。

在發(fā)表于 Nature Electronics 的成果中，賀煜與團隊利用這套系統(tǒng)證明了高精度線路的可行性。他們用原子核自旋作為比特，實現(xiàn)對兩個粒子編碼輔助空間的高精度量子非破壞（QND）讀出。

在本次研究中所使用的硅基磷原子處理器中，包含了 4 個磷原子核自旋量子比特和 1 個電子自旋輔助量子比特。研究人員基于掃描隧道顯微鏡氫掩模光刻技術(shù)，巧妙設(shè)計了原子級精度的硅基量子處理器。結(jié)果顯示，其成功實現(xiàn)了四比特量子錯誤探測電路，可檢測任意單比特錯誤。

賀煜解釋道：“與經(jīng)典計算機中程序員需要信息校驗類似，量子計算機也需要隨著時間推移，逐步確認它上面編碼的信息是否有錯。”

圖丨單比特錯誤探測以及偏置噪聲觀測（來源：Nature Electronic）

從技術(shù)路線來看，該電路基于[[2,0,2]]編碼方案，用兩個輔助量子比特同時且獨立地對相位與比特翻轉(zhuǎn)錯誤進行檢測。實驗中，研究人員利用 (SX =XX) 和 (SZ = ZZ) 兩個穩(wěn)定子，在高保真度的量子門操作和 QND 測量技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高精度檢測錯誤。

與此同時，該團隊展示了該系統(tǒng)高效識別并糾正單比特錯誤的能力：即便在量子比特部分退相干發(fā)生，通過錯誤檢測與后處理仍可恢復(fù)糾纏信息。此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，硅基量子系統(tǒng)中的噪聲主要表現(xiàn)為退相干，并且噪聲具有明顯的偏置特性，這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計特定的量子糾錯碼提供了關(guān)鍵依據(jù)。

（來源：Nature Electronics）

實驗中，研究人員利用單電子自旋共振和單原子核的核磁共振技術(shù)，實現(xiàn)了對電子和核自旋的相干操作，并通過量子態(tài)層析成像技術(shù)驗證了量子態(tài)的保真度。結(jié)果表明，Bell 糾纏態(tài)平均保真度可實現(xiàn) 93.4%，憑借實現(xiàn)高保真度的單比特和兩比特量子門操作，進一步生成的四比特 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態(tài)保真度達 88.5%，這一指標創(chuàng)造了硅基體系的新紀錄，說明該處理器在操控多體量子糾纏方面具有強大的能力。

之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的多體糾纏的關(guān)鍵訣竅，就藏在多體量子門——Toffoli 門之中。“系統(tǒng)本身的連通性以及電子耦合的物理特點，決定存在高連通性質(zhì)的多體門。有了這多體門，就可以去組合它并快速實現(xiàn)糾纏。”賀煜告訴 DeepTech。

這些結(jié)果表明，硅基量子處理器在量子糾纏生成和量子門操作方面已經(jīng)取得顯著進展。

相關(guān)論文以《硅基量子處理器中的量子錯誤探測》（Quantum error detection in a silicon quantum processor）為題發(fā)表在 Nature Electronics[2]。深圳國際量子研究院/南方科技大學(xué)博士生張春輝和李春暉、深圳國際量子研究院助理研究員田振是共同第一作者，深圳國際量子研究院賀煜研究員、俞大鵬院士、胡光沖副研究員、王觀勇副研究員擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）

研究團隊在此前發(fā)表于 Frontiers of Physics 的一篇綜述論文中提到 [3]，量子計算分多個階段，此前的工作多數(shù)集中在物理層面，包括基本操作、讀出等；現(xiàn)階段是含噪聲中等規(guī)模量子計算（NISQ，Noisy Intermediate-Scale Quantum）；再往后是向大規(guī)模邏輯比特、邏輯運算推進，比如邏輯比特的盈虧平衡點、邏輯量子計算的優(yōu)勢驗證等等；最終階段則是具有實用價值的大規(guī)模容錯量子計算。

（來源：Frontiers of Physics）

“我們這項工作是向邏輯空間跨越階段做了最簡單的演示。盡管邏輯比特操控此前已經(jīng)在超導(dǎo)、中性原子、離子阱這些領(lǐng)先的系統(tǒng)實現(xiàn)，但由于硅基系統(tǒng)太復(fù)雜，在本次研究中才得以首次突破。”

目前，研究團隊與多家國內(nèi)單位聯(lián)合，希望推動這套原子級量子芯片制造加工技術(shù)向工業(yè)界發(fā)展，進而實現(xiàn)大規(guī)模、批量化、晶圓級生產(chǎn)。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

2.https://doi.org/10.1038/s41928-025-01557-1

3.https://doi.org/10.1007/s11467-022-1249-z

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