長期以來，量子計(jì)算行業(yè)受困于一個(gè)兩難的規(guī)模魔咒：為了追求算力，必須增加量子比特的數(shù)量；但隨著比特?cái)?shù)量的增加，系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲和串?dāng)_便會呈指數(shù)級上升，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)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(jì)算公司在 Nature 期刊發(fā)文，詳細(xì)介紹了一種能夠克服這一難題的新型處理器設(shè)計(jì)。該處理器利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的核心材料——硅，并結(jié)合磷原子，成功實(shí)現(xiàn)了 11 個(gè)量子比特的互連。這不僅將互聯(lián)量子比特的數(shù)量提升了三倍，更關(guān)鍵的是，它在擴(kuò)容的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 99.99% 的單量子比特保真度和 99.5% 的貝爾態(tài)保真度。

這一突破的核心，歸功于 SQC 獨(dú)有的原子級制造工藝。團(tuán)隊(duì)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(jìn)行圖案化，將磷原子精準(zhǔn)定位。這種極致的工藝精度，正是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量子計(jì)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(gòu)上，該設(shè)計(jì)在同位素純化的硅-28 晶體中，利用精密定位的磷原子構(gòu)建了兩個(gè)多核自旋寄存器。其中一個(gè)寄存器包含 4 個(gè)磷原子，另一個(gè)包含 5 個(gè)，每個(gè)寄存器共享一個(gè)電子自旋。這兩個(gè)寄存器通過電子交換相互作用相連，從而實(shí)現(xiàn)了跨寄存器的非定域連接以及全部 11 個(gè)量子比特的聯(lián)動。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)最引人注目的成就，在于它證明了“規(guī)模”與“質(zhì)量”可以兼得。盡管超導(dǎo)、離子阱等技術(shù)路線此前已達(dá)到數(shù)百量子比特的規(guī)模，但它們在制造工藝和控制系統(tǒng)微型化方面始終面臨巨大的工程挑戰(zhàn)。相比之下，SQC 的論文作者自信地寫道：“在增加互連量子比特?cái)?shù)量的同時(shí)，我們證明了物理級基準(zhǔn)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(dá)到了 99.9%�！�

（來源：SQC 官網(wǎng)）

在實(shí)驗(yàn)中，該 11 量子比特系統(tǒng)中的每一對核自旋都實(shí)現(xiàn)了糾纏。寄存器內(nèi)部的貝爾態(tài)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(fā)現(xiàn)，糾纏態(tài)在多達(dá) 8 個(gè)核自旋中仍能保持穩(wěn)定。

未來，研究人員計(jì)劃在任意旁觀量子比特狀態(tài)下進(jìn)行基準(zhǔn)測試、優(yōu)化控制脈沖、設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)超精細(xì)耦合的寄存器，以及進(jìn)一步增加量子比特?cái)?shù)量。最終目標(biāo)是利用這些技術(shù)加速開發(fā)強(qiáng)大的量子設(shè)備，以解決現(xiàn)實(shí)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(xué)家，早年在杜倫大學(xué)就讀，獲得物理與化學(xué)雙學(xué)位后，便進(jìn)入了著名的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。在 20 世紀(jì) 90 年代末，那里是全球物理學(xué)研究的圣地，擁有最頂尖的設(shè)備和最聰明的頭腦。然而，1999 年，Simmons 做出了一個(gè)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(gè)能夠容忍高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的科研環(huán)境。當(dāng)時(shí)的澳大利亞正在積極招募量子領(lǐng)域的頂尖人才，而新南威爾士大學(xué)更是給予了她充分的學(xué)術(shù)自由。

Simmons 的野心并非空中樓閣。1998 年，物理學(xué)家 Bruce Kane 在 Nature 上發(fā)表了一篇具有劃時(shí)代意義的論文，提出了利用硅中的磷原子核自旋構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的理論構(gòu)想。這個(gè)構(gòu)想雖然美妙，但在當(dāng)時(shí)的技術(shù)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(gè)原子的能力。

隨后的十年，Simmons 帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用掃描隧道顯微鏡（STM），在超高真空的環(huán)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(gè)個(gè)移除，然后精確地填入磷原子，最后再用硅層將其覆蓋。這個(gè)過程極其緩慢，容錯(cuò)率幾乎為零。

直到 2012 年，Simmons 團(tuán)隊(duì)成功制造出了世界上第一個(gè)“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(shí)驗(yàn)室里制造一個(gè)晶體管，與造出一臺可商用的量子計(jì)算機(jī)，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(dá) 8300 萬澳元，投資方除了新南威爾士大學(xué)，還包括澳大利亞聯(lián)邦政府、新南威爾士州政府、澳大利亞聯(lián)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(fā)世界上第一個(gè)可擴(kuò)展的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

作為創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官，Simmons 面臨的挑戰(zhàn)從單純的科學(xué)難題變成了復(fù)雜的商業(yè)博弈。在全球范圍內(nèi)，谷歌、IBM 等巨頭紛紛押注超導(dǎo)量子計(jì)算，因?yàn)檫@種方案更容易利用現(xiàn)有的微波工程技術(shù)進(jìn)行快速擴(kuò)展；而光量子路線的初創(chuàng)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(jìn)展緩慢。外界的質(zhì)疑聲從未停止：用掃描隧道顯微鏡一個(gè)一個(gè)地?fù)芘�，怎么可能�?shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)？這種工藝是否注定只能停留在實(shí)驗(yàn)室？

面對質(zhì)疑，Simmons 表現(xiàn)出了驚人的定力。她反復(fù)強(qiáng)調(diào)硅基路線的底層邏輯：硅是全球萬億美元半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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(fù)用現(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)化生產(chǎn)。

目前，SQC 擁有超過 200 項(xiàng)專利和 250 篇同行評審論文。關(guān)鍵成就還包括一周內(nèi)完成量子芯片制造周期，已進(jìn)入 DARPA 量子基準(zhǔn)測試計(jì)劃的 B 階段，并與 SkyWater 合作推進(jìn)混合量子-經(jīng)典計(jì)算�？蛻舭═elstra（模型訓(xùn)練加速）和澳大利亞國防部（機(jī)架式系統(tǒng)部署）。

截至 2025 年底，硅量子計(jì)算已成為量子計(jì)算領(lǐng)域最具可擴(kuò)展?jié)摿Φ募夹g(shù)路徑之一。全球量子計(jì)算市場規(guī)模預(yù)計(jì)在今年達(dá)到 35 至 50 億美元，而硅模態(tài)憑借與現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)的高度兼容性、秒級相干時(shí)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(cuò)的成果：Diraq 在 300mm 晶圓上實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的全棧量子計(jì)算機(jī)；Intel 則在推進(jìn) Tunnel Falls 芯片的均勻性制造。這些成果共同表明，硅量子計(jì)算正從實(shí)驗(yàn)室原型加速邁向工業(yè)驗(yàn)證與早期商用。

盡管目前的量子比特?cái)?shù)量仍處于 10 到 100 的級別，距離超導(dǎo)或離子阱的規(guī)模尚有差距，但硅基路線憑借其微小的體積、長相干時(shí)間和巨大的制造擴(kuò)展性，正被普遍視為 2030 年前實(shí)現(xiàn)實(shí)用容錯(cuò)量子計(jì)算的最優(yōu)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