全球首次！我國(guó)完成硅基量子計(jì)算機(jī)原型驗(yàn)證，可兼容現(xiàn)有芯片工藝

量子計(jì)算喊了這么多年，以“祖沖之三號(hào)”為代表的超導(dǎo)量子計(jì)算，確實(shí)已經(jīng)應(yīng)用于中電信的“天衍”系列計(jì)算平臺(tái)上。但超導(dǎo)量子計(jì)算要求的環(huán)境太苛刻，需要維持低溫，對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)過(guò)于艱難。那我們常用的硅基芯片，有可能兼容量子計(jì)算，開(kāi)辟出一條能順利過(guò)渡的路線嗎？答案是能，那就是硅基量子計(jì)算機(jī)。而我國(guó)最近在該領(lǐng)域，做出了一項(xiàng)突破性貢獻(xiàn)。

據(jù)科技日?qǐng)?bào)3月23日?qǐng)?bào)道，深圳國(guó)際量子研究院近日在《自然?納米技術(shù)》上發(fā)表一項(xiàng)成果，首次在原子級(jí)精度加工的硅基量子計(jì)算芯片上，演示了從通用邏輯門(mén)操作到變分量子算法的“全棧”邏輯運(yùn)算要素，完成硅基邏輯量子計(jì)算機(jī)的原型驗(yàn)證，被視作硅基量子計(jì)算領(lǐng)域里程碑式突破。

目前超導(dǎo)計(jì)算路線有很多，常見(jiàn)的有超導(dǎo)量子計(jì)算、光量子計(jì)算、中性原子、離子阱、固態(tài)自旋、硅基量子點(diǎn)、拓?fù)淞孔拥取Ｄ壳氨容^主流的是超導(dǎo)量子計(jì)算和光量子計(jì)算，這兩個(gè)領(lǐng)域我國(guó)都處在全球領(lǐng)先位置，超導(dǎo)量子計(jì)算有“祖沖之三號(hào)”，光量子計(jì)算有“九章四號(hào)”。這次取得突破的，能兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的，是“非主流”的“硅基量子點(diǎn)”計(jì)算。

硅基自旋量子比特是利用硅基襯底量子點(diǎn)中的束縛電子 (空穴) 或原子核的自旋量子態(tài)編碼形成的量子比特，可在現(xiàn)有的硅、鍺半導(dǎo)體材料上開(kāi)發(fā)。但如何實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)邏輯編碼與通用邏輯操作，始終是該領(lǐng)域尚未攻克的核心難題，深圳國(guó)際量子研究院這次正是在該方面取得了突破。

相對(duì)火熱的超導(dǎo)量子計(jì)算和光量子計(jì)算，硅基量子計(jì)算發(fā)展較為緩慢，之前在這塊領(lǐng)先的既非美國(guó)也非中國(guó)，而是在量子領(lǐng)域“名不見(jiàn)經(jīng)傳”的澳大利亞。2015年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）首次在純化硅中實(shí)現(xiàn)單個(gè)磷原子電子自旋量子比特，奠定硅基自旋路線基礎(chǔ)；之后在2018年，又實(shí)現(xiàn)了2比特硅基量子門(mén)，保真度超過(guò)98%，驗(yàn)證了硅基雙比特操控可行性。到此為止，澳大利亞都是硅基量子研究重地。

2019年，荷蘭QuTech與Intel合作，在300mm晶圓上制備硅基量子點(diǎn)，驗(yàn)證了CMOS工藝兼容。這可以說(shuō)是硅基量子作為現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)兼容路線，最為重要的一步。我國(guó)基本是這一時(shí)期開(kāi)始跟進(jìn)的，同一年中科大實(shí)現(xiàn)了硅基量子點(diǎn)單比特操控，保真度大于99%。

2021年，Intel與Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，在300mm晶圓上實(shí)現(xiàn)硅基量子點(diǎn)陣列。2025年，Diraq團(tuán)隊(duì)與歐洲微電子中心（imec）合作，工業(yè)化量產(chǎn)硅基量子芯片，雙比特門(mén)保真度超過(guò)99%，證明硅基量子可兼容半導(dǎo)體產(chǎn)線。硅基量子作為兼容傳統(tǒng)半導(dǎo)體的思路越來(lái)越清晰。但正如開(kāi)頭所說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)邏輯編碼與通用邏輯操作，始終是該領(lǐng)域尚未攻克的核心難題。

這次深圳國(guó)際量子研究院賀煜團(tuán)隊(duì)完成硅基邏輯量子計(jì)算機(jī)原型驗(yàn)證，又將硅基量子技術(shù)向前推進(jìn)了一步。據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在硅基邏輯量子比特上，完成國(guó)際首次量子算法演示并求解實(shí)際問(wèn)題。計(jì)算內(nèi)容是在兩個(gè)邏輯量子比特上運(yùn)行了“變分量子本征求解”算法，精確計(jì)算了水分子的電子基態(tài)能量，計(jì)算結(jié)果與理論值誤差僅為20毫哈特里。

所以在硅基量子計(jì)算這條最有望兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)的路線上，我國(guó)雖然起步晚，但已經(jīng)追趕上來(lái)并進(jìn)入了第一梯隊(duì)。說(shuō)不定將來(lái)首個(gè)面向個(gè)人的量子計(jì)算機(jī)，走的就是這種硅基量子路線。