Nature重磅！11量子比特系统破解规模魔咒，保真度飙升至99.99%

长期以来，量子计算行业受困于一个两难的规模魔咒：为了追求算力，必须增加量子比特的数量；但随着比特数量的增加，系统内部的噪声和串扰便会呈指数级上升，导致计算结果变得毫无意义。

近日，一家名为 Silicon Quantum Computing（以下简称 “SQC”）的量子计算公司在 Nature 期刊发文，详细介绍了一种能够克服这一难题的新型处理器设计。该处理器利用经典计算机的核心材料——硅，并结合磷原子，成功实现了 11 个量子比特的互连。这不仅将互联量子比特的数量提升了三倍，更关键的是，它在扩容的同时实现了高达 99.99% 的单量子比特保真度和 99.5% 的贝尔态保真度。

这一突破的核心，归功于 SQC 独有的原子级制造工艺。团队利用扫描隧道显微镜，能够在纯硅晶圆上以 0.13 纳米——也就是原子级别的精度进行图案化，将磷原子精准定位。这种极致的工艺精度，正是实现商业化量子计算所必需的。

在具体的硬件架构上，该设计在同位素纯化的硅-28 晶体中，利用精密定位的磷原子构建了两个多核自旋寄存器。其中一个寄存器包含 4 个磷原子，另一个包含 5 个，每个寄存器共享一个电子自旋。这两个寄存器通过电子交换相互作用相连，从而实现了跨寄存器的非定域连接以及全部 11 个量子比特的联动。

这项设计最引人注目的成就，在于它证明了“规模”与“质量”可以兼得。尽管超导、离子阱等技术路线此前已达到数百量子比特的规模，但它们在制造工艺和控制系统微型化方面始终面临巨大的工程挑战。相比之下，SQC 的论文作者自信地写道：“在增加互连量子比特数量的同时，我们证明了物理级基准不仅得以维持，部分甚至有所提升。其中，双量子比特门保真度在硅基量子比特中首次达到了 99.9%。”

在实验中，该 11 量子比特系统中的每一对核自旋都实现了纠缠。寄存器内部的贝尔态保真度在 91.4% 到 99.5% 之间，跨寄存器的保真度则在 87.0% 到 97.0% 之间。研究发现，纠缠态在多达 8 个核自旋中仍能保持稳定。

未来，研究人员计划在任意旁观量子比特状态下进行基准测试、优化控制脉冲、设计具有更强超精细耦合的寄存器，以及进一步增加量子比特数量。最终目标是利用这些技术加速开发强大的量子设备，以解决现实世界的问题。

SQC 所取得的成果，离不开这家公司的灵魂人物——Michelle Simmons。

这位出生于英国伦敦的女物理学家，早年在杜伦大学就读，获得物理与化学双学位后，便进入了著名的剑桥大学卡文迪许实验室。在 20 世纪 90 年代末，那里是全球物理学研究的圣地，拥有最顶尖的设备和最聪明的头脑。然而，1999 年，Simmons 做出了一个令所有同行大跌眼镜的决定：离开剑桥，移民澳大利亚。

她的理由简单而纯粹：她想要一个能够容忍高风险、高回报的科研环境。当时的澳大利亚正在积极招募量子领域的顶尖人才，而新南威尔士大学更是给予了她充分的学术自由。

Simmons 的野心并非空中楼阁。1998 年，物理学家 Bruce Kane 在 Nature 上发表了一篇具有划时代意义的论文，提出了利用硅中的磷原子核自旋构建量子计算机的理论构想。这个构想虽然美妙，但在当时的技术条件下，无异于天方夜谭，它要求人类必须具备在硅晶格中“像上帝一样”移动单个原子的能力。

随后的十年，Simmons 带领团队，利用扫描隧道显微镜（STM），在超高真空的环境下，开始了一场原子级别的“微雕”。他们需要将硅表面的氢原子一个个移除，然后精确地填入磷原子，最后再用硅层将其覆盖。这个过程极其缓慢，容错率几乎为零。

直到 2012 年，Simmons 团队成功制造出了世界上第一个“单原子晶体管”，宣告了人类终于掌握了在原子尺度上控制电子器件制造的能力。

然而，在实验室里制造一个晶体管，与造出一台可商用的量子计算机，中间隔着巨大的鸿沟。为了跨越这道鸿沟，2017年，SQC 正式成立，启动资金高达 8300 万澳元，投资方除了新南威尔士大学，还包括澳大利亚联邦政府、新南威尔士州政府、澳大利亚联邦银行以及澳洲电信。

截至 2025 年，SQC 已获得超过 2.8 亿美元投资，包括 2023 年的 5040 万美元 A 轮融资，用于开发世界上第一个可扩展的纠错量子计算机。

作为创始人兼首席执行官，Simmons 面临的挑战从单纯的科学难题变成了复杂的商业博弈。在全球范围内，谷歌、IBM 等巨头纷纷押注超导量子计算，因为这种方案更容易利用现有的微波工程技术进行快速扩展；而光量子路线的初创公司如 PsiQuantum 也备受资本追捧。

相比之下，SQC 选择的硅基原子路线显得异常“笨重”且进展缓慢。外界的质疑声从未停止：用扫描隧道显微镜一个一个地拨弄原子，怎么可能实现大规模量产？这种工艺是否注定只能停留在实验室？

面对质疑，Simmons 表现出了惊人的定力。她反复强调硅基路线的底层逻辑：硅是全球万亿美元半导体产业的基石。如果 SQC 能够攻克原子级制造的工艺难题，他们将能够直接复用现有的半导体产业链，实现真正的工业化生产。

目前，SQC 拥有超过 200 项专利和 250 篇同行评审论文。关键成就还包括一周内完成量子芯片制造周期，已进入 DARPA 量子基准测试计划的 B 阶段，并与 SkyWater 合作推进混合量子-经典计算。客户包括Telstra（模型训练加速）和澳大利亚国防部（机架式系统部署）。

截至 2025 年底，硅量子计算已成为量子计算领域最具可扩展潜力的技术路径之一。全球量子计算市场规模预计在今年达到 35 至 50 亿美元，而硅模态凭借与现有半导体工业的高度兼容性、秒级相干时间以及 99% 以上的门保真度，吸引了全球大量投资和政府支持。

除了 SQC 的突破，其他公司也取得了不错的成果：Diraq 在 300mm 晶圆上实现了超过 99% 的两量子比特门保真度；Quantum Motion 交付了全球首台基于标准 CMOS 工艺的全栈量子计算机；Intel 则在推进 Tunnel Falls 芯片的均匀性制造。这些成果共同表明，硅量子计算正从实验室原型加速迈向工业验证与早期商用。

尽管目前的量子比特数量仍处于 10 到 100 的级别，距离超导或离子阱的规模尚有差距，但硅基路线凭借其微小的体积、长相干时间和巨大的制造扩展性，正被普遍视为 2030 年前实现实用容错量子计算的最优路径。

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