澳大利亚量子企业Silicon Quantum Computing研发全球首个硅基磷原子11量子比特处理器

近年来，全球主要科技强国和企业在量子计算领域展开激烈竞争，量子比特数量与质量成为衡量技术先进性的核心指标之一。量子计算有望在材料科学、药物研发、人工智能优化等前沿领域带来革命性突破，但其实现路径多样，包括超导、离子阱、光量子以及基于半导体材料的硅基路线等。其中硅基量子计算因与现有半导体工艺高度兼容、可在常温或近常温下运行、具备规模化潜力等优势，被视为未来产业化的重要方向。

2025年12月，澳大利亚量子科技企业Silicon Quantum Computing（SQC）在Nature杂志发布题为《硅基11量子比特原子处理器》（An 11-qubit atom processor in silicon）的文章，宣布成功研制出全球首个硅基磷原子11量子比特处理器。这一成果建立在SQC多年对硅基量子点及单原子操控技术的深耕之上，也是继此前实现3量子比特、6量子比特硅基器件之后的一次跨越式突破，标志着硅基量子计算从“可演示”向“可扩展”迈出了关键一步。

一、核心攻关基础：STM氢光刻技术

SQC的此次突破并非偶然，而是源于其在硅基单原子量子比特领域的长期积累与系统攻关。根据公开信息，该团队自成立以来便聚焦利用扫描隧道显微镜（STM）氢光刻技术在硅晶体表面进行原子级精准操作，将单个磷原子植入硅晶格中形成可控的量子比特。磷原子具有明确的电子自旋态，可作为稳定的量子信息载体，其能级结构在硅基质中受外界干扰较小，为构建高保真度量子比特提供了物理基础。

在技术路径上，SQC的核心优势在于“原子级精度制造”能力。其采用STM氢光刻技术，先在硅（100）表面沉积一层氢原子作为掩模，再通过STM探针选择性移除特定位置的氢原子，暴露出硅原子位点；随后在高温下通入磷化氢气体，使磷原子在暴露位点发生化学反应并取代硅原子，从而在预定位置精确嵌入磷原子。这种方法的优势在于可实现亚纳米级的定位精度，确保量子比特间距与耦合强度符合设计预期。

在前期研究中，SQC已先后实现了3量子比特和6量子比特硅基处理器的研制与验证。3量子比特阶段验证了单原子量子比特的可控初始化、操纵与读出；6量子比特阶段则探索了相邻量子比特间的可控耦合与简单量子逻辑门操作。这些阶段性成果不仅积累了原子级制造工艺的经验，也优化了量子比特相干时间、门保真度等关键参数，为11量子比特处理器的研发奠定了技术基础。

二、11量子比特处理器的关键成果

此次发布的11量子比特处理器，是SQC在硅基量子计算规模化道路上的一次重要实践。从物理结构看，该处理器基于硅（100）衬底，通过STM氢光刻与磷原子掺杂技术，在芯片上精确排布11个磷原子量子比特。各量子比特之间通过可控的交换相互作用实现耦合，形成可编程的量子线路架构。

在性能指标方面，SQC公布的实验数据显示，该11量子比特处理器实现了以下关键成果：

1. 量子比特相干时间

单个磷原子量子比特的电子自旋相干时间在毫秒量级，处于当前硅基量子比特的国际先进水平，为执行复杂量子算法提供了时间窗口。

2. 量子门操作保真度

单量子比特门保真度超过99%，双量子比特门保真度达到90%以上，满足中等规模含噪声量子（NISQ）设备的实用门槛。

3. 可扩展架构验证

通过设计特定的量子线路，团队成功演示了对11个量子比特的同时初始化、独立操纵与联合读出，证明该架构具备向更多量子比特扩展的技术可行性。

实验验证过程中，SQC重点测试了量子比特间的可控耦合与纠缠生成能力。例如，通过调节相邻量子比特的交换耦合强度，实现了两比特纠缠态的高保真制备，并进一步扩展到多比特纠缠态的生成与验证。这些实验不仅证实了11量子比特系统的整体一致性，也为后续实现更复杂的量子算法（如量子模拟、量子化学计算等）提供了硬件支撑。

值得注意的是，SQC强调该处理器的研制完全基于硅基半导体工艺兼容的方法，无需依赖极端低温以外的特殊环境（除稀释制冷机提供的毫开尔文级低温外），这与超导量子比特需依赖极低温且工艺兼容性有限的现状形成对比，凸显了硅基路线在规模化生产中的潜在优势。

三、硅基量子计算的产业化前景与国际竞争格局

SQC研发的全球首个硅基磷原子11量子比特处理器，其意义不仅在于量子比特数量的提升，更在于验证了硅基路线在多量子比特集成与性能平衡上的可行性，为量子计算的工程化与产业化提供了新的技术范式。

从科学意义看，该成果突破了硅基量子计算中“多原子精确排布”与“高保真协同控制”的双重挑战。传统硅基量子比特研究多停留在少量比特的演示阶段，而11量子比特的可控操作表明，原子级制造技术能够支撑更大规模量子系统的构建，同时保持良好的相干性与门保真度，这对理解量子多体系统的操控规律具有重要价值。

从技术产业化角度看，硅基量子计算与现有CMOS工艺的兼容性，意味着未来可利用成熟的半导体产线进行大规模生产，显著降低制造成本并提升良率。SQC的成果为硅基量子芯片从实验室走向晶圆厂提供了关键实证，可能加速“量子－经典”混合计算系统的落地——即在经典计算机中集成专用量子协处理器，针对特定问题（如分子模拟、优化求解）提供量子加速。

在国际竞争格局中，SQC的这一突破巩固了澳大利亚在全球量子计算版图中的地位。此前，超导路线由IBM、谷歌等企业领跑，离子阱路线有IonQ等公司推进，而硅基路线的主要竞争者包括澳大利亚SQC、荷兰代尔夫特理工大学QuTech团队、日本理化学研究所（RIKEN）等。SQC率先实现11量子比特硅基处理器，在“原子级精准制造”这一核心能力上建立了先发优势，也为全球硅基量子计算的标准制定与技术路线选择提供了重要参考。

此外，该成果的发布正值全球量子计算从“技术验证”向“应用探索”过渡的关键期。尽管当前量子计算机仍面临噪声、纠错等挑战，但11量子比特硅基处理器的出现，让“量子优势”在特定硅基适配问题上成为可能。例如，利用硅基量子芯片模拟硅材料本身的电子结构，可为半导体材料设计提供量子层面的洞察，形成“量子计算反哺量子硬件材料”的独特闭环。

参考文献：

[1] Hermann Edlbauer, Junliang Wang, A. M. Saffat-Ee Huq, et al. An 11-qubit atom processor in silicon[J/OL]. Nature, 2025,648(12):569-575[2026-02-06].https://www.nature.com/articles/s41586-025-09827-w.

[2] 材料人. 量子计算重大突破！最新Nature！[EB/OL].[2026-02-06].https://mp.weixin.qq.com/s/bgfnyIGj6HLNcb-FhRaopA.