研究人员实现核自旋量子比特远程耦合，为可扩展量子计算奠定基础
在构建实用化量子计算机的激烈竞争中，多种技术路线并行发展，各具独特的优势与局限性。在这些技术中，基于硅中核自旋的量子计算因其与现有半导体制造工艺的高度兼容性以及量子比特的卓越稳定性而备受瞩目。这种方法利用原子核的自旋作为量子比特，提供了出色的隔离性，能够长时间保持量子信息的完整。然而，将这些系统从概念验证扩展到数百万个量子比特，始终面临一个核心挑战：如何在保持量子比特与环境隔离的同时，建立它们之间的有效连接。
2025年9月18日，《科学》杂志刊登了来自新南威尔士大学的一项突破性研究，展示了一个充满希望的解决方案。研究人员利用电子作为中介，成功耦合了相距高达20纳米的核自旋量子比特，这一距离是先前方法的四倍。虽然20纳米在人类尺度上微不足道，但它标志着实用量子计算架构的一个关键门槛。
我们有幸与这项开创性研究的主要作者霍莉·斯滕普博士（Dr. Holly Stemp）进行了深入交流，探讨了该研究的技术成就及其对未来的影响。以下详细的对话内容揭示了构建可扩展量子计算机的基础物理原理与实际工程挑战，为我们提供了深刻的洞见。
隔离悖论
植入硅中的磷原子核自旋因其卓越的隔离性成为理想的量子比特。这种特性，被称为相干性，使这些量子比特能够长时间保持量子信息。在早期的实验中，核自旋量子比特的量子状态可维持长达30秒，这在量子领域堪称永恒，因为大多数量子系统在微秒内就会丢失信息。
然而，这种隔离性带来了一个工程悖论。要构建功能齐全的量子计算机，量子比特必须相互通信以执行计算。然而，核自旋作为量子比特的吸引力恰恰在于它们几乎不与任何事物相互作用，包括旁边的量子比特。这种与环境的隔离性虽然保证了信息的稳定性，却阻碍了量子比特之间的必要交互。
过去的解决方案是将核自旋放置得极近，距离仅为一到五纳米，让单个电子云包裹两个原子核。这个共享电子可以作为中介，促进核与核之间的交互，从而实现量子计算所需的两量子比特操作。然而，这种方法在可扩展性方面面临严重限制。在数百万个量子比特中维持如此精确的原子定位，同时为控制电子元件留出空间，对制造工艺提出了巨大挑战。
电子作为量子电话
新的耦合方案采用了不同的方法。研究人员没有强迫原子核共享一个电子，而是将它们分得更远，允许每个原子核拥有自己的电子。据估计，在这个系统中，核间的距离可达20纳米。当相邻原子核上的电子被添加到系统中时，它们的量子力学波函数会发生轻微的重叠，产生物理学家所说的交换相互作用。
这种相互作用意味着一个电子的共振频率取决于两个原子核的量子态。通过精确计时微波脉冲，研究人员可以执行由各自电子介导的核间双量子比特门操作。由于电子的响应速度比原子核快得多，这些门操作在核相干时间内很快完成，从而保留了量子信息。
该方案的另一个优势是，可以使用局部栅极电压将电子添加到或移除出系统，从而按需开启或关闭相互作用。未来可以预见，当不需要计算时，可以确定性地移除电子，使核量子比特回到其隔离的、高相干性的状态。当需要相互作用时，电子可以短暂地被加入以促进操作，然后再移除。
二十纳米阈值
这项实验中实现的20纳米间隔，跨越了半导体制造的一个重要界限。现代互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺通常在这个尺度下工作，使得该方法与现有的工业能力兼容。这种兼容性可以使量子计算借鉴数十年来在硅芯片制造中的投入和专业知识。
此外，20纳米提供了足够的空间，可以将经典控制电子器件直接集成到量子芯片上。目前的量子计算系统需要大量的外部基础设施，控制信号通过屏蔽电缆布线到超低温环境中。片上控制电子器件将减少这种复杂性，尽管它也引入了管理其产生热量的新挑战。
研究人员强调，进一步的小型化既没有必要也不可取。在这种密度下，数百万个量子比特可以容纳在单个芯片上。制造的挑战不在于将更多的量子比特塞入更小的空间，而在于以足够的精度可靠地放置它们。
精准放置
与墨尔本大学合作开发的确定性离子植入技术有效应对了量子比特定位的挑战。这项技术利用原子力显微镜的尖端，通过微小孔径将单个磷原子精确植入指定位置。高保真单离子探测器在系统移动到下一个植入点之前，验证植入是否成功。
当前的确定性植入技术可实现约八纳米的定位不确定性。近期研究展示的耦合门在10至24纳米的范围内能够可靠运行，轻松适应这种不确定性。这种对定位偏差的鲁棒性对于制造的可重复性至关重要。
性能指标
研究人员实现了99.76%的单量子比特门保真度，意味着这些操作在1000次中有超过997次是成功的。超过了通常认为进行量子纠错所必需的大约99%的阈值。
初始演示中的双量子比特门保真度仅达到76%，低于纠错阈值。然而，研究人员确定了主要限制因素：由于实验器件的特定特性，电子自旋的初始化存在缺陷。模拟结果预测，在改进后的器件中，采用更典型的初始化方法，双量子比特保真度应能达到99.7%以上。
运行条件
实验在20毫开尔文下进行，比水的冰点低约273摄氏度，位于一台稀释制冷机内部。这些系统代表了已知宇宙中最冷的可控环境。同时还施加了1特斯拉的磁场，约为地球磁场的2万倍。
这些极端条件主要是为了实现实验中使用的读取机制。其他研究组使用类似技术，通过不同的读取技术，已证明可以在1开尔文以上和较低磁场下运行。提高运行温度对于规模化至关重要，因为当控制数百万个量子比特时，维持毫开尔文温度所需的冷却功率将变得难以承受。
前进的道路
演示更具可扩展性的电子介导核耦合机制，是实现容错量子计算漫长旅程中的一步。下一个主要里程碑涉及用物理核量子比特阵列构建一个逻辑量子比特，并证明增加物理量子比特数量可以降低逻辑错误率，这是成功进行量子纠错的标志。
谷歌在超导量子比特平台上的最新成果实现了这种规模化演示。用核自旋量子比特复制这一成就，将验证该平台的纠错方法。
该耦合方案可能会扩展到非最近邻。研究人员设想使用额外的中介元件，例如大型量子点或超导谐振器，来连接更大的距离，达到微米尺度。这将能够实现量子比特簇之间的相互作用，每个簇形成一个逻辑量子比特，用远程耦合连接这些逻辑单元。
前景比较
目前尚未就哪种物理平台将最终主导量子计算达成共识。超导量子比特提供快速操作，但需要较大的物理空间。离子阱系统提供出色的相干性和门保真度。光子方法在室温下运行，但在可扩展性的某些方面遇到困难。
硅自旋量子比特具有极高的密度、长相干时间和CMOS兼容性。它们较慢的操作速度是一种权衡，但仍然足够快，可以在相干时间内执行许多操作。核自旋超长的相干时间使其成为混合架构中量子存储器的有吸引力的候选者。
超越计算
硅基平台的应用潜力远超计算领域。量子网络旨在连接独立的量子处理器，需要量子存储器来保存光子量子状态。核自旋的超长相干时间使其成为这一角色的理想选择，因为它们能够长时间保持量子信息。然而，将核自旋与光子进行有效接口连接仍面临额外的技术挑战。
量子计算技术的开发同时推动了基础物理研究的前沿。通过将小型量子系统与较大物体耦合，研究人员能够探索量子与经典行为之间的边界，这一领域持续吸引理论物理学家的关注。虽然这些实验与量子计算的直接应用无关，但它们为深入理解量子力学本身提供了重要贡献。
时间线与可及性
从实验室演示到实用量子优势的道路仍不确定。目前的系统缺乏超越经典超级计算机能力所需问题的规模和错误率。实现容错量子计算不仅需要更好的量子比特，还需要经典计算基础设施来对数百万个物理量子比特进行实时纠错。
对于大多数需要极端冷却的量子比特平台而言，桌面量子计算机的想法不太可能。更可行的是一种类似于经典云计算的模型，用户远程访问量子处理器。
硅基方法具有制造规模和成本上的潜在优势，这得益于半导体行业的规模经济。然而，只有当该技术能够达到有用计算所需的性能阈值时，这些优势才具有意义。
宏观视角
量子计算机不会在大多数任务中取代经典计算机。它们在特定问题领域展现出潜在优势，包括模拟量子系统、特定优化问题、密码学以及可能的机器学习应用。然而，对于发送电子邮件或文字处理等任务，经典计算机可能仍将占据优势。
电子介导耦合等技术演示的意义在于解决通向这些专业化应用道路上的具体技术障碍。每一次进展要么确认了一个有前景的方向，要么揭示了新的挑战，逐步勾勒出从当前能力到最终需求的路径图。
可扩展的耦合机制、99.76%的单量子比特保真度以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的兼容性标志着重要进展。这一特定方法能否扩展到数百万个量子比特并实现纠错计算仍有待验证。答案将通过持续的实验工作而非理论预测逐步显现。
研究人员对时间表和最终结果保持审慎的不确定性。他们的重点集中在下一个技术里程碑：展示一个逻辑量子比特，其性能随规模扩大而提升。这一成就将验证其平台的纠错框架，这是实现实用量子计算的必要但非充分条件。
量子计算领域正从基础物理演示向工程现实稳步演进，每一个耦合门和制造改进都是一次进步。核自旋量子比特之间更具可扩展性的耦合方案的展示，标志着这一征程上的又一个关键节点。