近年來，全球主要科技強(qiáng)國和企業(yè)在量子計(jì)算領(lǐng)域展開激烈競爭，量子比特?cái)?shù)量與質(zhì)量成為衡量技術(shù)先進(jìn)性的核心指標(biāo)之一。量子計(jì)算有望在材料科學(xué)、藥物研發(fā)、人工智能優(yōu)化等前沿領(lǐng)域帶來革命性突破，但其實(shí)現(xiàn)路徑多樣，包括超導(dǎo)、離子阱、光量子以及基于半導(dǎo)體材料的硅基路線等。其中硅基量子計(jì)算因與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝高度兼容、可在常溫或近常溫下運(yùn)行、具備規(guī)?；瘽摿Φ葍?yōu)勢，被視為未來產(chǎn)業(yè)化的重要方向。

2025年12月，澳大利亞量子科技企業(yè)Silicon Quantum Computing（SQC）在Nature雜志發(fā)布題為《硅基11量子比特原子處理器》（An 11-qubit atom processor in silicon）的文章，宣布成功研制出全球首個硅基磷原子11量子比特處理器。這一成果建立在SQC多年對硅基量子點(diǎn)及單原子操控技術(shù)的深耕之上，也是繼此前實(shí)現(xiàn)3量子比特、6量子比特硅基器件之后的一次跨越式突破，標(biāo)志著硅基量子計(jì)算從“可演示”向“可擴(kuò)展”邁出了關(guān)鍵一步。

一、核心攻關(guān)基礎(chǔ)：STM氫光刻技術(shù)

SQC的此次突破并非偶然，而是源于其在硅基單原子量子比特領(lǐng)域的長期積累與系統(tǒng)攻關(guān)。根據(jù)公開信息，該團(tuán)隊(duì)自成立以來便聚焦利用掃描隧道顯微鏡（STM）氫光刻技術(shù)在硅晶體表面進(jìn)行原子級精準(zhǔn)操作，將單個磷原子植入硅晶格中形成可控的量子比特。磷原子具有明確的電子自旋態(tài)，可作為穩(wěn)定的量子信息載體，其能級結(jié)構(gòu)在硅基質(zhì)中受外界干擾較小，為構(gòu)建高保真度量子比特提供了物理基礎(chǔ)。

在技術(shù)路徑上，SQC的核心優(yōu)勢在于“原子級精度制造”能力。其采用STM氫光刻技術(shù)，先在硅（100）表面沉積一層氫原子作為掩模，再通過STM探針選擇性移除特定位置的氫原子，暴露出硅原子位點(diǎn)；隨后在高溫下通入磷化氫氣體，使磷原子在暴露位點(diǎn)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并取代硅原子，從而在預(yù)定位置精確嵌入磷原子。這種方法的優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)亞納米級的定位精度，確保量子比特間距與耦合強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

在前期研究中，SQC已先后實(shí)現(xiàn)了3量子比特和6量子比特硅基處理器的研制與驗(yàn)證。3量子比特階段驗(yàn)證了單原子量子比特的可控初始化、操縱與讀出；6量子比特階段則探索了相鄰量子比特間的可控耦合與簡單量子邏輯門操作。這些階段性成果不僅積累了原子級制造工藝的經(jīng)驗(yàn)，也優(yōu)化了量子比特相干時間、門保真度等關(guān)鍵參數(shù)，為11量子比特處理器的研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

二、11量子比特處理器的關(guān)鍵成果

此次發(fā)布的11量子比特處理器，是SQC在硅基量子計(jì)算規(guī)?；缆飞系囊淮沃匾獙?shí)踐。從物理結(jié)構(gòu)看，該處理器基于硅（100）襯底，通過STM氫光刻與磷原子摻雜技術(shù)，在芯片上精確排布11個磷原子量子比特。各量子比特之間通過可控的交換相互作用實(shí)現(xiàn)耦合，形成可編程的量子線路架構(gòu)。

在性能指標(biāo)方面，SQC公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該11量子比特處理器實(shí)現(xiàn)了以下關(guān)鍵成果：

1. 量子比特相干時間

單個磷原子量子比特的電子自旋相干時間在毫秒量級，處于當(dāng)前硅基量子比特的國際先進(jìn)水平，為執(zhí)行復(fù)雜量子算法提供了時間窗口。

2. 量子門操作保真度

單量子比特門保真度超過99%，雙量子比特門保真度達(dá)到90%以上，滿足中等規(guī)模含噪聲量子（NISQ）設(shè)備的實(shí)用門檻。

3. 可擴(kuò)展架構(gòu)驗(yàn)證

通過設(shè)計(jì)特定的量子線路，團(tuán)隊(duì)成功演示了對11個量子比特的同時初始化、獨(dú)立操縱與聯(lián)合讀出，證明該架構(gòu)具備向更多量子比特?cái)U(kuò)展的技術(shù)可行性。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，SQC重點(diǎn)測試了量子比特間的可控耦合與糾纏生成能力。例如，通過調(diào)節(jié)相鄰量子比特的交換耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了兩比特糾纏態(tài)的高保真制備，并進(jìn)一步擴(kuò)展到多比特糾纏態(tài)的生成與驗(yàn)證。這些實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了11量子比特系統(tǒng)的整體一致性，也為后續(xù)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子算法（如量子模擬、量子化學(xué)計(jì)算等）提供了硬件支撐。

值得注意的是，SQC強(qiáng)調(diào)該處理器的研制完全基于硅基半導(dǎo)體工藝兼容的方法，無需依賴極端低溫以外的特殊環(huán)境（除稀釋制冷機(jī)提供的毫開爾文級低溫外），這與超導(dǎo)量子比特需依賴極低溫且工藝兼容性有限的現(xiàn)狀形成對比，凸顯了硅基路線在規(guī)?；a(chǎn)中的潛在優(yōu)勢。

三、硅基量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)化前景與國際競爭格局

SQC研發(fā)的全球首個硅基磷原子11量子比特處理器，其意義不僅在于量子比特?cái)?shù)量的提升，更在于驗(yàn)證了硅基路線在多量子比特集成與性能平衡上的可行性，為量子計(jì)算的工程化與產(chǎn)業(yè)化提供了新的技術(shù)范式。

從科學(xué)意義看，該成果突破了硅基量子計(jì)算中“多原子精確排布”與“高保真協(xié)同控制”的雙重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)硅基量子比特研究多停留在少量比特的演示階段，而11量子比特的可控操作表明，原子級制造技術(shù)能夠支撐更大規(guī)模量子系統(tǒng)的構(gòu)建，同時保持良好的相干性與門保真度，這對理解量子多體系統(tǒng)的操控規(guī)律具有重要價(jià)值。

從技術(shù)產(chǎn)業(yè)化角度看，硅基量子計(jì)算與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容性，意味著未來可利用成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，顯著降低制造成本并提升良率。SQC的成果為硅基量子芯片從實(shí)驗(yàn)室走向晶圓廠提供了關(guān)鍵實(shí)證，可能加速“量子－經(jīng)典”混合計(jì)算系統(tǒng)的落地——即在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中集成專用量子協(xié)處理器，針對特定問題（如分子模擬、優(yōu)化求解）提供量子加速。

在國際競爭格局中，SQC的這一突破鞏固了澳大利亞在全球量子計(jì)算版圖中的地位。此前，超導(dǎo)路線由IBM、谷歌等企業(yè)領(lǐng)跑，離子阱路線有IonQ等公司推進(jìn)，而硅基路線的主要競爭者包括澳大利亞SQC、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)QuTech團(tuán)隊(duì)、日本理化學(xué)研究所（RIKEN）等。SQC率先實(shí)現(xiàn)11量子比特硅基處理器，在“原子級精準(zhǔn)制造”這一核心能力上建立了先發(fā)優(yōu)勢，也為全球硅基量子計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)路線選擇提供了重要參考。

此外，該成果的發(fā)布正值全球量子計(jì)算從“技術(shù)驗(yàn)證”向“應(yīng)用探索”過渡的關(guān)鍵期。盡管當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)仍面臨噪聲、糾錯等挑戰(zhàn)，但11量子比特硅基處理器的出現(xiàn)，讓“量子優(yōu)勢”在特定硅基適配問題上成為可能。例如，利用硅基量子芯片模擬硅材料本身的電子結(jié)構(gòu)，可為半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)提供量子層面的洞察，形成“量子計(jì)算反哺量子硬件材料”的獨(dú)特閉環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hermann Edlbauer, Junliang Wang, A. M. Saffat-Ee Huq, et al. An 11-qubit atom processor in silicon[J/OL]. Nature, 2025,648(12):569-575[2026-02-06].https://www.nature.com/articles/s41586-025-09827-w.

[2] 材料人. 量子計(jì)算重大突破！最新Nature！[EB/OL].[2026-02-06].https://mp.weixin.qq.com/s/bgfnyIGj6HLNcb-FhRaopA.