硅基量子处理器中的通用逻辑运算

把脆弱的量子比特变为可靠的工具

量子计算机有望解决一些远超当今机器能力的问题，但其基本构件——量子比特（qubit）——极为脆弱。这项研究展示了如何将硅中制成的量子比特组合起来，使其表现得更像坚固的信息载体，从而把实用量子计算推向更接近我们日常电子技术的方向。

在硅上构建为何重要

我们大多数经典计算机都运行在硅芯片上，因此能够在相同材料上制造量子硬件，会使未来设备的制造与规模化变得更容易。研究团队使用由磷原子在硅晶体内以原子级精度放置而形成的自旋量子比特。这些自旋能够长时间保存量子信息，早期工作已显示单个及小群自旋可以以极高精度被控制。硅中一直缺少的，是下一步：执行真正的“逻辑”运算，对信息进行主动保护以抵御噪声。

用多个物理比特存储一个逻辑比特

研究者采用了一种巧妙的方案，称为 [[4, 2, 2]] 码，其中四个物理量子比特共同存储两个逻辑量子比特，而第五个比特则起支持作用。信息不再依赖单个比特，而是分布在所有四个比特上，这样某些单粒子故障就可以被发现并剔除。该器件通过扫描隧道显微镜在硅表面刻蚀图案，然后在这些图案化区域掺入磷原子，形成一个紧密的五核自旋簇作为量子比特。通过精心校准的磁脉冲，团队制备了两种逻辑态，包括一个纠缠的“贝尔”对，并证明在剔除可检测错误后，这些逻辑态的保真度超过95%。

让量子信息保持并可控

为了测试逻辑信息的鲁棒性，作者观察了编码态随时间的演化。他们跟踪不同类型的错误，发现相位翻转比简单的比特翻转更为主导——这种“噪声偏置”理论上可以使纠错更高效。团队接着展示了一整套逻辑门：可翻转、旋转和纠缠逻辑量子比特的操作，且无需将其解码回单个自旋。这些门大多直接利用掺杂簇内的本征相互作用实现。一种特殊的旋转——称为 T 门，对实现真正通用的量子计算至关重要，它是通过引入额外的辅助比特并根据测量结果来决定对逻辑比特的旋转来间接实现的。

制备特殊的量子资源并测试真实算法

同样的 T 型操作也使团队能够制备所谓的“魔态”，即运行通用容错算法所需的特殊量子叠加态。他们创建并测量了多种版本的魔态，其中一种变体超过了已知的质量阈值，这对于未来的净化流程非常关键。为了展示实际用途，研究者运行了一个小规模的量子化学计算，使用一种混合量子—经典的变分量子求特征值器（variational quantum eigensolver）。仅用两个逻辑比特，他们在改变键角时近似计算了水分子的基态能量，并应用额外的数据清理步骤以抵消残余噪声。所得的能量曲线与理论预期高度一致，尽管底层硬件规模仍然较小。

这对未来量子机器意味着什么

这项工作标志着首次在由施主原子构建的硅基量子处理器中展示出通用逻辑运算。通过在多个自旋之间编码信息、事后检测错误并仍能成功运行受化学启发的算法，作者表明硅自旋量子比特可以从孤立的构件迈向受保护、可编程的单元。随着制造工艺改进以更准确定位施主、控制信号间串扰减少以及更大规模此类簇阵列的出现，类似的逻辑方案有望扩展为实用的容错量子计算机，更加贴近当今的芯片技术。

引用: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

关键词: 硅基量子处理器, 逻辑量子比特, [[4, 2, 2]] 码, 容错量子计算, 量子化学