科學家第一次用硅基量子計算機“算”出了水分子的能量。更重要的是，這次計算發生在一個能探測錯誤、能邏輯編碼的硅基量子系統中。而相關的兩項重要成果，都來自深圳國際量子研究院俞大鵬院士、賀煜研究員團隊。
在 Nature Nanotechnology 發表的成果中 [1]，研究團隊在硅基量子計算領域取得里程碑式突破。他們第一次利用五個磷原子核自旋實現了容錯通用邏輯量子門操作，不僅完成了從物理量子比特到邏輯量子編碼的關鍵跨越，還通過兩個邏輯量子比特計算出水分子（H₂O）的電子基態能量。
該研究相當於首次用量子計算機進行了一次“化學作業”實測。儘管其在精度方面還不能與傳統超級計算機相比，但從原理上證明，硅基量子計算可走通“編碼-糾錯-計算”的完整鏈條，爲未來製備出實用化的硅基量子計算機提供了理論基礎。
圖丨研究團隊（來源：受訪者）
在 Nature Electronics 發表的成果中 [2]，研究團隊在量子錯誤探測上取得突破性進展。研究人員在原子級精度加工的硅基量子計算芯片上，首次演示了利用穩定子測量方法直接探測任意單量子比特錯誤的可能性。
該研究在驗證硅基自旋量子比特具有高質量糾纏的能力的同時，也爲未來硅基大規模容錯量子計算的應用奠定了基礎。賀煜對 DeepTech 表示：“大規模容錯量子計算機未來還有很多環節需要逐一驗證。我們的技術相當於補上了容錯量子計算中的一塊關鍵拼圖。”
從物理比特到邏輯計算：硅基量子芯片首次“算出化學問題”
賀煜本科和博士畢業於中國科學技術大學近代物理系，師從潘建偉院士和陸朝陽教授。之後分別在陸朝陽教授課題組和澳大利亞新南威爾士大學米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）課題組從事博士後研究。
此前，他利用掃描隧道顯微鏡光刻技術製備了硅量子計算芯片，以單原子級別的精度將兩個磷原子量子點放置在 13 納米間距上，在硅量子芯片上實現了第一個高速兩比特門——800 皮秒的根號交換門，爲大規模可擴展的硅量子計算奠定了基礎。
在量子優勢方面，他與合作者利用光子的玻色抽樣方案結合新型多光子干涉儀，特定計算任務上首次實現了量子計算機對第一臺電子管計算機 ENIAC 和第一臺晶體管計算機 TRADIC 的超越。
此外，他還在固態量子網絡研究方向創新突破，實現了單光子到單電子的量子隱形傳態，開發了一整套全新的單光子頻率比特控制和測量方案，不僅驗證了單個光子和電子之間的糾纏，還把光子的量子信息傳遞到 5 米遠的電子自旋上。
2020 年 3 月，他回國加入南方科技大學、深圳國際量子研究院。憑藉在量子計算和量子網絡方面取得的一系列開創性成果，成爲 2020 年“35 歲以下科技創新 35 人”（Innovators Under 35，簡稱 TR35）中國區入選者之一。
圖丨賀煜（來源：受訪者）
在此前的研究基礎上，在本次 Nature Nanotechnology 研究中，研究團隊採用掃描隧道顯微鏡氫掩膜光刻技術，以原子級精度加工了硅基量子處理器。由磷原子團簇構成的量子計算架構，能夠實現物理比特的良好尋址以及全聯通的高效多比特門。
賀煜指出，“這種門結構的優勢是連通性高和編譯效率高，爲實現邏輯電路提供了關鍵支撐。爲實現高保真操控，我們還設計了串擾抑制方案。”
[[4,2,2]] 編碼是一種資源需求極小的容錯編碼方案，研究人員基於 [[4,2,2]] 量子錯誤探測碼，只用五個物理量子比特即可實現編碼兩個邏輯量子比特，其中一個爲輔助比特。
爲驗證邏輯量子計算方面的效果，研究團隊進行了一系列實驗。首先，他們演示了邏輯量子態的容錯製備，其中包括邏輯糾纏態，並通過後處理篩選顯著提升保真度。在此基礎上，他們還進一步演示了完整的通用邏輯量子門集。
結果顯示，單、雙比特克利福德（Clifford）邏輯門皆得以實現。更重要的是，研究團隊通過測量誘導的量子門方法，實現了邏輯 T 門。賀煜解釋道：“該方法與未來容錯架構兼容，而邏輯 T 門是構建通用量子計算機的關鍵組件，它與 Clifford 門的組合爲完成通用量子計算任務提供了可能。”
圖丨容錯製備的邏輯態（來源：Nature Nanotechnology）
在本次研究中，研究團隊展示了這種量子處理器的應用潛力，併爲邏輯編碼方案運行實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實際問題進行求解。
他們在兩個邏輯量子比特上進行“變分量子本徵求解”算法運算，值得關注的是，與理論值相比，在計算水分子電子基態能量方面的結果只存在 20 毫哈特里（mHa）的誤差值。這種精準的計算潛力，爲未來達到化學精度奠定了基礎。
圖丨邏輯量子計算，用變分量子算法求解水分子基態能量（來源：Nature Nanotechnology）
相關論文以《硅基量子處理器中的通用邏輯操作》（Universal logical operations in a silicon quantum processor）爲題發表於 Nature Nanotechnology。深圳國際量子研究院、南方科技大學博士研究生張春輝、徐峯、張世航、深圳國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、潘天洛副研究員擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
硅基量子錯誤探測突破：容錯計算補上關鍵一環
量子計算具有巨大潛力，但由於量子比特存在脆弱性使其容易出錯。高精度、高保真的量子糾錯技術是在量子系統進行信息編碼，實現未來大規模通用量子計算的必經之路，通常需要用穩定子（stabilizer）進行錯誤探測和糾正。然而，在以往的研究中，硅基量子計算領域始終未能突破驗證所需精確操控比特的數量。
圖丨硅基磷原子量子芯片器件結構以及 ESR 能譜表徵（來源：Nature Electronics）
此前，新南威爾士大學教授西蒙斯團隊在 Nature 發表論文，證明了量子門保真度，在原子級路線上實現 11 比特。
在發表於 Nature Electronics 的成果中，賀煜與團隊利用這套系統證明了高精度線路的可行性。他們用原子核自旋作爲比特，實現對兩個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 個磷原子核自旋量子比特和 1 個電子自旋輔助量子比特。研究人員基於掃描隧道顯微鏡氫掩模光刻技術，巧妙設計了原子級精度的硅基量子處理器。結果顯示，其成功實現了四比特量子錯誤探測電路，可檢測任意單比特錯誤。
賀煜解釋道：“與經典計算機中程序員需要信息校驗類似，量子計算機也需要隨着時間推移，逐步確認它上面編碼的信息是否有錯。”
圖丨單比特錯誤探測以及偏置噪聲觀測（來源：Nature Electronics）
從技術路線來看，該電路基於[[2,0,2]]編碼方案，用兩個輔助量子比特同時且獨立地對相位與比特翻轉錯誤進行檢測。實驗中，研究人員利用 (SX =XX) 和 (SZ = ZZ) 兩個穩定子，在高保真度的量子門操作和 QND 測量技術基礎上，實現了高精度檢測錯誤。
與此同時，該團隊展示了該系統高效識別並糾正單比特錯誤的能力：即便在量子比特部分退相干發生，通過錯誤檢測與後處理仍可恢復糾纏信息。此外，研究團隊還發現，硅基量子系統中的噪聲主要表現爲退相干，並且噪聲具有明顯的偏置特性，這些發現爲設計特定的量子糾錯碼提供了關鍵依據。
圖丨Toffoli 門的實現以及貝爾態、四比特 GHZ 態製備（來源：Nature Electronics）
實驗中，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，實現了對電子和核自旋的相干操作，並通過量子態層析成像技術驗證了量子態的保真度。結果表明，Bell 糾纏態平均保真度可實現 93.4%，憑藉實現高保真度的單比特和兩比特量子門操作，進一步生成的四比特 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）態保真度達 88.5%，這一指標創造了硅基體系的新紀錄，說明該處理器在操控多體量子糾纏方面具有強大的能力。
之所以能夠實現高質量的多體糾纏的關鍵訣竅，就藏在多體量子門——Toffoli 門之中。“系統本身的連通性以及電子耦合的物理特點，決定存在高連通性質的多體門。有了這多體門，就可以去組合它並快速實現糾纏。”賀煜告訴 DeepTech。
這些結果表明，硅基量子處理器在量子糾纏生成和量子門操作方面已經取得顯著進展。
相關論文以《硅基量子處理器中的量子錯誤探測》（Quantum error detection in a silicon quantum processor）爲題發表在 Nature Electronics[2]。深圳國際量子研究院/南方科技大學博士生張春輝和李春暉、深圳國際量子研究院助理研究員田振是共同第一作者，深圳國際量子研究院賀煜研究員、俞大鵬院士、胡光衝副研究員、王觀勇副研究員擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Electronics）
研究團隊在此前發表於 Frontiers of Physics 的一篇綜述論文中提到 [3]，量子計算分多個階段，此前的工作多數集中在物理層面，包括基本操作、讀出等；現階段是含噪聲中等規模量子計算（NISQ，Noisy Intermediate-Scale Quantum）；再往後是向大規模邏輯比特、邏輯運算推進，比如邏輯比特的盈虧平衡點、邏輯量子計算的優勢驗證等等；最終階段則是具有實用價值的大規模容錯量子計算。
（來源：Frontiers of Physics）
“我們這項工作是向邏輯空間跨越階段做了最簡單的演示。儘管邏輯比特操控此前已經在超導、中性原子、離子阱這些領先的系統實現，但由於硅基系統太複雜，在本次研究中才得以首次突破。”
目前，研究團隊與多家國內單位聯合，希望推動這套原子級量子芯片製造加工技術向工業界發展，進而實現大規模、批量化、晶圓級生產。
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
運營/排版：何晨龍
