2025年12月，澳大利亚硅量子计算公司（SQC）与新南威尔士大学（UNSW）的研究人员在硅基量子计算领域取得重要进展。该团队利用扫描隧道显微镜（STM）光刻技术，在硅晶体中精确构建了一个包含11个量子比特（2个电子自旋和9个核自旋）的原子级处理器。该工作在硅基原子处理器这一体系与当前规模下，规避了常见的“规模增加而保真度下降”趋势：随着处理器中量子比特数量的增加，其单比特和双比特逻辑门保真度不仅未受噪声累积影响，反而分别保持在99.99%和99.5%的极高水准。
这项工作首次在硅中展示了基于“天然原子”的多寄存器全连接架构，验证了利用核自旋作为超长寿命存储器、电子自旋作为控制与耦合媒介的可行性。这不仅标志着硅基原子制造技术达到了单原子精度的工业极限，也为未来构建高密度、低纠错开销的硅基量子计算机提供了确凿的实验依据。相关论文于12月17日以“An 11-qubit atom processor in silicon”为题发表在国际学术期刊《自然》。
亮点小结
1. 规模增加而保真度不降：在扩展至11个量子比特的过程中，并未出现常见的性能衰减。实验测得单量子比特门保真度达99.99%，双量子比特门保真度达99.5%，均突破了容错量子计算的阈值。
2. 原子级制造工艺：利用STM氢光刻技术，以原子精度（<1 nm）放置磷原子，构建了由两个“核自旋寄存器”通过电子交换相互作用耦合的紧凑架构。
3. 高保真量子非破坏性（QND）读出： 实现了基于单电子晶体管（SET）的自旋-电荷转化读出，这种量子非破坏性测量允许对核自旋进行反复读取，从而极大压低了读出误差。
4. 多体纠缠制备：在处理器上成功制备了跨越两个寄存器的GHZ纠缠态，证明了系统具有全连接（all-to-all）的相干控制能力。
图1：(a)11个量子比特的超精细耦合强度（MHz），(b) STM 图像显示原子级处理器结构
实验平台：基于磷原子的双寄存器架构
这项工作的量子芯片是基于同位素纯化的硅-28衬底制备。与工业界（如Intel、imec）采用的栅极定义量子点（gate-defined quantum dots）路线不同，Michelle Simmons团队采用的是“施主原子（donor）”路线。
处理器由11个量子比特组成，分为两个模块：寄存器A（包含4个磷原子核自旋）和寄存器B（包含5个磷原子核自旋）。每个寄存器共享一个电子自旋，这形成了“4核+1电子”与“5核+1电子”的组合。为了实现两个模块间的耦合，研究团队将两个寄存器的间距精确控制在 ~13 nm 左右。这一极小的尺度是必须的，是因为电子波函数交换相互作用（exchange interaction）会随距离指数衰减。这种基于STM的原子级制造工艺，虽然在产量上不及传统CMOS光刻，但在物理环境的一致性和量子比特的相干寿命上具有显著优势，被视为通往极致性能的“原子微雕”工艺。
核心技术：核自旋寄存器与电学QND读出
1. 基于中心自旋模型的核自旋寄存器架构
该架构的设计灵感在物理上与Tim Taminiau团队（QuTech）在金刚石NV色心体系中的工作有异曲同工之妙。系统利用电子自旋与周围核自旋的超精细相互作用，将核自旋作为极长寿命的“存储单元”，而电子自旋则作为“控制单元”和“通信总线”。SQC团队成功将这一在金刚石中验证的物理机制，移植到了更具工业前景的硅材料中。
2. 基于SET的量子非破坏性（QND）读出
为了读取微弱的核自旋状态，实验采用了一种纯电学的读取方案，而非光子探测。该技术利用电子自旋作为“探针”，通过“自旋-电荷转化（spin-to-charge conversion）”机制工作：
① 映射：核自旋的状态会通过超精细相互作用改变电子自旋的共振频率。
② 隧穿：施加特定脉冲后，仅有处于特定状态的电子会隧穿到邻近的储层（reservoir）。
③ 探测：单电子晶体管（SET）作为超灵敏电荷计，能够检测到单个电子隧穿引起的电信号尖峰。
因为核自旋的状态在读取后保持不变，这一过程是非破坏性的。这使得系统可以进行多次重复读取（repetitive readout），可以通过统计学显著降低单次测量的随机噪声。
图2：跨两个寄存器的多比特 GHZ 纠缠态制备
实验演示：全连接纠缠与误差抑制
研究团队在实验中展示了该处理器强大的逻辑门操作能力。通过精确控制电子波函数的重叠，他们在两个相距约13nm的寄存器之间实现了可控的交换耦合（SWAP操作），从而连通了原本独立的两个量子模块。
在此基础上，团队成功制备了涉及多量子比特的GHZ态，并进行了详尽的量子过程层析。实验数据表明，即便在涉及多达10个以上量子比特的操作中，系统依然保持了高度的相干性。更重要的是，通过对误差源的深度分析，研究人员发现这种原子级加工技术有效抑制了传统半导体量子芯片中常见的电荷噪声和由栅极结构引入的串扰。这解释了为何该系统在规模扩大时，保真度并未像预期那样下降——这种“反直觉”的特性，正是原子级制造的直接红利。
展望：通往百万比特的挑战与机遇
这项工作是硅基量子计算从“原理演示”迈向“高性能模块”的重要里程碑。SQC团队证明了，如果能以原子精度制造芯片，硅基量子比特的物理性能上限极高。这种高保真度特性意味着在未来的容错架构中，可能只需要更少的物理比特就能编码一个逻辑比特。
然而，从11个原子迈向通用量子计算仍面临挑战：首先是制造效率，目前的STM原子组装技术类似于“手工微雕”，相比于imec和Intel基于300mm晶圆厂的CMOS工艺（近期已实现>99%保真度），其大规模扩展性仍需工程突破。其次是模块互连，虽然本工作解决了纳米尺度的短距互连，但如何像超导路线实现跨芯片、长距离的模块化互连，仍是硅基原子路线需要回答的问题。
综上，该工作确立了“天然原子”在硅基量子计算中的独特地位：作为一种追求极致物理性能的技术路线，它将与工业界的“人造原子（量子点）”路线在竞争与融合中，共同推动硅基量子计算迈向容错时代。