科學(xué)家第一次用硅基量子計(jì)算機(jī)“算”出了水分子的能量。更重要的是，這次計(jì)算發(fā)生在一個(gè)能探測(cè)錯(cuò)誤、能邏輯編碼的硅基量子系統(tǒng)中。而相關(guān)的兩項(xiàng)重要成果，都來(lái)自深圳國(guó)際量子研究院俞大鵬院士、賀煜研究員團(tuán)隊(duì)。

在 Nature Nanotechnology 發(fā)表的成果中 [1]，研究團(tuán)隊(duì)在硅基量子計(jì)算領(lǐng)域取得里程碑式突破。他們第一次利用五個(gè)磷原子核自旋實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)通用邏輯量子門(mén)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(guò)兩個(gè)邏輯量子比特計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行了一次“化學(xué)作業(yè)”實(shí)測(cè)。盡管其在精度方面還不能與傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)相比，但從原理上證明，硅基量子計(jì)算可走通“編碼-糾錯(cuò)-計(jì)算”的完整鏈條，為未來(lái)制備出實(shí)用化的硅基量子計(jì)算機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。

圖丨研究團(tuán)隊(duì)（來(lái)源：受訪(fǎng)者）

在 Nature Electronics 發(fā)表的成果中 [2]，研究團(tuán)隊(duì)在量子錯(cuò)誤探測(cè)上取得突破性進(jìn)展。研究人員在原子級(jí)精度加工的硅基量子計(jì)算芯片上，首次演示了利用穩(wěn)定子測(cè)量方法直接探測(cè)任意單量子比特錯(cuò)誤的可能性。

該研究在驗(yàn)證硅基自旋量子比特具有高質(zhì)量糾纏的能力的同時(shí)，也為未來(lái)硅基大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。賀煜對(duì) DeepTech 表示：“大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)未來(lái)還有很多環(huán)節(jié)需要逐一驗(yàn)證。我們的技術(shù)相當(dāng)于補(bǔ)上了容錯(cuò)量子計(jì)算中的一塊關(guān)鍵拼圖?！?/p>

從物理比特到邏輯計(jì)算：硅基量子芯片首次“算出化學(xué)問(wèn)題”

賀煜本科和博士畢業(yè)于中國(guó)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(yáng)教授。之后分別在陸朝陽(yáng)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(jì)算芯片，以單原子級(jí)別的精度將兩個(gè)磷原子量子點(diǎn)放置在 13 納米間距上，在硅量子芯片上實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)高速兩比特門(mén)——800 皮秒的根號(hào)交換門(mén)，為大規(guī)模可擴(kuò)展的硅量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

在量子優(yōu)勢(shì)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(jì)算任務(wù)上首次實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)對(duì)第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī) ENIAC 和第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī) 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(shí)現(xiàn)了單光子到單電子的量子隱形傳態(tài)，開(kāi)發(fā)了一整套全新的單光子頻率比特控制和測(cè)量方案，不僅驗(yàn)證了單個(gè)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(yuǎn)的電子自旋上。

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

圖丨賀煜（來(lái)源：受訪(fǎng)者）

在此前的研究基礎(chǔ)上，在本次 Nature Nanotechnology 研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用掃描隧道顯微鏡氫掩膜光刻技術(shù)，以原子級(jí)精度加工了硅基量子處理器。由磷原子團(tuán)簇構(gòu)成的量子計(jì)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(mén)。

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

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

為驗(yàn)證邏輯量子計(jì)算方面的效果，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。首先，他們演示了邏輯量子態(tài)的容錯(cuò)制備，其中包括邏輯糾纏態(tài)，并通過(guò)后處理篩選顯著提升保真度。在此基礎(chǔ)上，他們還進(jìn)一步演示了完整的通用邏輯量子門(mén)集。

結(jié)果顯示，單、雙比特克利福德（Clifford）邏輯門(mén)皆得以實(shí)現(xiàn)。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量誘導(dǎo)的量子門(mén)方法，實(shí)現(xiàn)了邏輯 T 門(mén)。賀煜解釋道：“該方法與未來(lái)容錯(cuò)架構(gòu)兼容，而邏輯 T 門(mén)是構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵組件，它與 Clifford 門(mén)的組合為完成通用量子計(jì)算任務(wù)提供了可能。”

圖丨容錯(cuò)制備的邏輯態(tài)（來(lái)源：Nature Nanotechnology）

在本次研究中，研究團(tuán)隊(duì)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(yùn)行實(shí)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(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行求解。

他們?cè)趦蓚€(gè)邏輯量子比特上進(jìn)行“變分量子本征求解”算法運(yùn)算，值得關(guān)注的是，與理論值相比，在計(jì)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(zhǔn)的計(jì)算潛力，為未來(lái)達(dá)到化學(xué)精度奠定了基礎(chǔ)。

（來(lái)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(guó)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(guó)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(lái)源：Nature Nanotechnology）

硅基量子錯(cuò)誤探測(cè)突破：容錯(cuò)計(jì)算補(bǔ)上關(guān)鍵一環(huán)

量子計(jì)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(cuò)。高精度、高保真的量子糾錯(cuò)技術(shù)是在量子系統(tǒng)進(jìn)行信息編碼，實(shí)現(xiàn)未來(lái)大規(guī)模通用量子計(jì)算的必經(jīng)之路，通常需要用穩(wěn)定子（stabilizer）進(jìn)行錯(cuò)誤探測(cè)和糾正。然而，在以往的研究中，硅基量子計(jì)算領(lǐng)域始終未能突破驗(yàn)證所需精確操控比特的數(shù)量。

（來(lái)源：Nature Electronics）

此前，新南威爾士大學(xué)教授西蒙斯團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表論文，證明了量子門(mén)保真度，在原子級(jí)路線(xiàn)上實(shí)現(xiàn) 11 比特。

在發(fā)表于 Nature Electronics 的成果中，賀煜與團(tuán)隊(duì)利用這套系統(tǒng)證明了高精度線(xiàn)路的可行性。他們用原子核自旋作為比特，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)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(gè)磷原子核自旋量子比特和 1 個(gè)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(jì)了原子級(jí)精度的硅基量子處理器。結(jié)果顯示，其成功實(shí)現(xiàn)了四比特量子錯(cuò)誤探測(cè)電路，可檢測(cè)任意單比特錯(cuò)誤。

賀煜解釋道：“與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中程序員需要信息校驗(yàn)類(lèi)似，量子計(jì)算機(jī)也需要隨著時(shí)間推移，逐步確認(rèn)它上面編碼的信息是否有錯(cuò)?！?/p>

圖丨單比特錯(cuò)誤探測(cè)以及偏置噪聲觀測(cè)（來(lái)源：Nature Electronic）

從技術(shù)路線(xiàn)來(lái)看，該電路基于[[2,0,2]]編碼方案，用兩個(gè)輔助量子比特同時(shí)且獨(dú)立地對(duì)相位與比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用 (SX =XX) 和 (SZ = ZZ) 兩個(gè)穩(wěn)定子，在高保真度的量子門(mén)操作和 QND 測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)錯(cuò)誤。

與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)展示了該系統(tǒng)高效識(shí)別并糾正單比特錯(cuò)誤的能力：即便在量子比特部分退相干發(fā)生，通過(guò)錯(cuò)誤檢測(cè)與后處理仍可恢復(fù)糾纏信息。此外，研究團(tuán)隊(duì)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(jì)特定的量子糾錯(cuò)碼提供了關(guān)鍵依據(jù)。

（來(lái)源：Nature Electronics）

實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)電子和核自旋的相干操作，并通過(guò)量子態(tài)層析成像技術(shù)驗(yàn)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(shí)現(xiàn) 93.4%，憑借實(shí)現(xiàn)高保真度的單比特和兩比特量子門(mén)操作，進(jìn)一步生成的四比特 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態(tài)保真度達(dá) 88.5%，這一指標(biāo)創(chuàng)造了硅基體系的新紀(jì)錄，說(shuō)明該處理器在操控多體量子糾纏方面具有強(qiáng)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(mén)——Toffoli 門(mén)之中?！跋到y(tǒng)本身的連通性以及電子耦合的物理特點(diǎn)，決定存在高連通性質(zhì)的多體門(mén)。有了這多體門(mén)，就可以去組合它并快速實(shí)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(mén)操作方面已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。

相關(guān)論文以《硅基量子處理器中的量子錯(cuò)誤探測(cè)》（Quantum error detection in a silicon quantum processor）為題發(fā)表在 Nature Electronics[2]。深圳國(guó)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(guó)際量子研究院助理研究員田振是共同第一作者，深圳國(guó)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(lái)源：Nature Electronics）

研究團(tuán)隊(duì)在此前發(fā)表于 Frontiers of Physics 的一篇綜述論文中提到 [3]，量子計(jì)算分多個(gè)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(jì)算（NISQ，Noisy Intermediate-Scale Quantum）；再往后是向大規(guī)模邏輯比特、邏輯運(yùn)算推進(jìn)，比如邏輯比特的盈虧平衡點(diǎn)、邏輯量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)驗(yàn)證等等；最終階段則是具有實(shí)用價(jià)值的大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算。

（來(lái)源：Frontiers of Physics）

“我們這項(xiàng)工作是向邏輯空間跨越階段做了最簡(jiǎn)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(shí)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?！?/p>

目前，研究團(tuán)隊(duì)與多家國(guó)內(nèi)單位聯(lián)合，希望推動(dòng)這套原子級(jí)量子芯片制造加工技術(shù)向工業(yè)界發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、批量化、晶圓級(jí)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

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍