引言

硅作为现代半导体技术的基石，将人类文明带入了信息时代。经过大半个世纪的发展，目前一颗传统硅基芯片已经可以容纳数十亿个构成经典比特的晶体管。随着量子计算登上舞台，成为解决算力瓶颈的可能途径，人们自然而然会发问：我们能否制备出一台与现代CMOS工艺兼容、能容纳百万个量子比特的硅基量子计算机？尽管硅基量子计算被认为是最有潜力实现大规模容错量子计算机的平台之一，但在量子计算各技术路线激烈角逐的背景下，硅基量子计算并未处于主流地位。如今，转折点似乎即将到来：2026年7月，HRL实验室在Nature上报道了一项重量级的成果并被选为封面^[1]：他们制造出了一个可编码18个纯交换类型比特(exchange-only qubit)的高度集成化硅基量子处理器单元，其量子比特由位于4K的低温CMOS控制器操控，不仅解决了通常制约固态量子计算体系的布线问题，还将纯交换量子比特的性能相比之前提升了一个数量级：平均单比特门保真度高达99.98%，平均两比特门保真度高达99.65%。这一性能即使与超导以及中性原子体系相比也非常具有竞争力。该成果毫无疑问是硅基量子比特走向技术成熟的一个重要里程碑。

第一章  纯交换自旋比特：无需微波、低串扰、免疫关联错误的理想比特

硅基量子计算领域存在多种类型的量子比特编码方式。其中，研究最广泛的是单个电子自旋量子比特：通过施加静磁场和交变磁场（后者通常依赖微波和微磁体），电子的自旋向上与自旋向下态在共振条件下可以被迅速翻转，构成量子比特的0与1。然而，微波造成的发热与串扰、微磁体较差的扩展性使此类量子比特的规模化变得困难。而纯交换自旋比特利用三个电子自旋构成的本征态的子空间编码0与1（如图1所示^[2]），三个电子被各自限制在栅极P1，P2，P3构筑的量子点中，栅极X1与X2分别调控前两个电子之间与后两个电子之间的交换相互作用。前两个电子组成的单重态加上后一个电子的任意自旋态构成比特0，前两个电子构成三重态而三个电子总自旋为1/2的态构成比特1，三电子总自旋为3/2的态则成为泄漏态。尽管一个量子比特需要三个量子点，但这种比特既不需要磁场，也不需要微波，仅需基带脉冲调控X1（布洛赫球的z轴）与X2的交换相互作用（布洛赫球的n轴）即可实现单比特门任何操作，十分利于大规模扩展。并且，这种类型的比特可以免疫整体磁场扰动造成的关联噪声，这种关联噪声造成的错误通常难以被纠错。令人惊喜的是，这种纯交换自旋比特从两比特实验室器件展示到如今18比特的量子芯片仅花了三年时间。

图1 纯交换量子比特操控原理示意图。a,纯交换量子比特器件; b, 三个量子点势阱示意图，每个量子点各限制一个电子，纯交换量子比特由前两个电子的总自旋S12与三个电子总自旋S的四个本征态构成; c, 用于计算的本征态与4个S = 3/2的泄漏态; d, 布洛赫球示意图，z轴由X1的电压脉冲驱动，与z轴呈120°的n轴由X2驱动; e, 操控脉冲示意图，对X2施加的电压可调节P2与P3两个电子之间的势垒从而调整交换相互作用。图片来自于HRL在19年发表的另一项工作^[2]。

第二章  固态量子计算体系的传统布线难题与低温CMOS集成

图2 稀释制冷机示意图^[3]。虚线右侧为量子比特的传统测控环境，线缆从室温端连接至位于mK温区的量子比特器件。虚线左侧为HRL本工作^[1]展示的测控方案，低温电子控制器位于4K，通过超导带状线连接至位于mK温区的量子芯片。

固态量子计算体系，例如硅基量子比特或超导量子比特，都依赖于提供10mK左右极低温环境的稀释制冷机，其测控设备通常在室温端。如图2虚线右侧所示，直流与高频线从300K的室温端一级一级连接到处于mK层的量子器件，室温端的电子设备给这些线缆提供用于操控比特的电学信号。这种连接方式在比特数量增多后会显得十分笨重，并且线缆增多带来的更多热量会给稀释制冷机带来沉重的热负载，大幅提升制冷难度与成本。HRL实验室直接摒弃了这种方式，将施加比特控制信号的电子学设备集成为一个在4 K温区下工作的低功率（约3.5 W）的CMOS控制器，并通过一根仅1 cm宽的高密度(约300根)超导带状线连接位于mK温区的量子比特芯片，从而保证位于4 K的CMOS控制器的产热并不会过多地影响量子比特（电子温度仍然能保持~150 mK），如图2虚线左侧所示。CMOS控制器、超导带状线与量子比特芯片三者共同构成了论文题目所述的硅基量子处理单元(silicon quantum processing unit)。

这台低温CMOS控制器本质上构成一台专为量子操控定制的小型计算机。室温端不再需要发送复杂的模拟波形，只需下发简单的数字指令，CMOS控制器就会自主调用片上指令集，以最高250MHz的时钟频率精确生成量子比特操控所需的基带电压脉冲序列。并且这套系统还具备自主执行纠错算法的能力，这意味着未来大规模量子计算机的“大脑”可以完全嵌入4K温区，室温端仅需供电和初始配置指令——这正是实用量子计算机所需的管理运维成本可控的关键一步。

图3 稀释制冷机(a)、硅基量子处理单元(b)与纯交换量子比特器件结构(c)示意图。量子比特由54个量子点构成，最多容纳18个纯交换量子比特。

第三章  量子比特性能的跃升

量子纠错的开销直接由物理量子比特的性能决定。该硅基量子处理单元的单比特门与CNOT门的平均保真度分别高达99.98%和99.65%，超出此前最高报道的纯交换比特性能一个数量级。其平均退相干时间T₂*高达19.3 μs，反映相干时间内可振荡次数的N_OSC（或Q值）平均高达674，该值证明量子比特的电荷噪声水平与此前报道的纯交换比特相比降低了10倍。从该T₂*与N_OSC值所估算的CNOT门错误率仅为0.02%，故限制两比特门保真度的主要因素为静磁场梯度以及脉冲校准误差。

图4 量子比特性能展示。单比特门与两比特门(a)，可振荡次数(b)以及退相干时间T₂*(c)的经验累积分布函数。垂直实线为平均值对应的横坐标。

第四章  硅基量子处理单元的重复码、纠错探测

量子计算的真正门槛在于纠错——只有当物理量子比特的错误率低于某个阈值，并通过编码冗余换取逻辑量子比特的高保真度，量子计算机才能从实验室走向商用。此硅基量子处理单元演示了两种纠错码：码距为5的经典重复码 [5,1,5] 和[[4,2,2]]量子错误检测码。

 [5,1,5] 重复码的实验结果显示，逻辑错误率约为 5×10^-3，低于码距为3的2.4×10^-3——这意味着错误率随码距增加呈预期的指数压制趋势。并且，由于纯交换量子比特在操控中易于泄漏至其他子空间的特性，他们在每次纠错回合中都插入了泄漏减少单元（LRU）：一种监测到比特泄漏至计算基之外时迅速重置数据比特的序列。实验表明在有 LRU 时，探测器事件比例保持稳定，没有 LRU 时泄漏会累积、错误率随回合轮数增长。这一结果表明，对于纯交换量子比特，“泄漏态管理”在纠错中是不可避免的。[[4,2,2]]量子错误检测码的结果表明，通过后处理所有错误检测测量，两个逻辑比特态的保真度为95%，若忽略错误检测测量，保真度仅59%，证明了量子错误检测的有效性。

图5 硅基量子处理单元的纠错演示。

终章  硅基量子计算如何迈向商业化与实用化？

这项工作将4K低温CMOS控制器、mK温区的纯交换量子比特芯片、超导互联三者集成在一台商用的稀释制冷机内，提供了一条通往实用化容错量子计算机的现实路径。相较于之前的工作，这项工作在保真度、功率与空间效益上均带来了革命性的提升。那么，是什么限制了当前系统的天花板？HRL在文中给出了答案：电荷噪声、计算空间外的泄漏和谷能级的分裂大小，这些曾经阻碍硅基量子计算拓展的顽疾在这颗硅基量子处理单元上已不再是瓶颈。真正的限制来自于系统各子组件协同工作的整体质量，包括磁场梯度的“磁洁净”、功率传输、内部信号完整性以及器件较准。这意味着HRL把硅基量子计算从物理瓶颈期推进到了工程集成期。

当然，从原型到商用仍有不短的距离，这颗硅量子处理单元的量子比特数量尽管已是当前硅基量子计算领域的最高值，却仍落后超导与中性原子。但无论如何，这项工作标志着硅基量子计算在沉寂数年后强势回归主流视野。它用一份完整的答卷回应了业界的所有疑问：

●性能方面：单比特门保真度 99.98%、CNOT 保真度 99.65%、T₂* ≈ 19.3 μs、Q 值平均 674——纯交换比特的性能较之前提升一个数量级，即便对比超导与中性原子体系也极具竞争力。值得一提的是，美国能源部^[4]近期宣布的99.9999%纯度的²⁸Si或将进一步提升此类纯交换比特的性能。

●规模方面：54 个量子点、可配置为 18 个纯交换量子比特，3×6 方形晶格排布，具备最近邻耦合能力。该类型的比特在三年前仅两个。

●集成方面：4K CMOS 控制器功耗 ≤3.5 W，296 根超导带状线仅 1 cm 宽，串扰优于 -80 dB。

●纠错方面：[5,1,5] 重复码与 [[4,2,2]] 量子错误检测码均成功实现，逻辑保真度达到 0.95。

●制造方面：200 mm 晶圆级工艺、同位素提纯的Si与Ge（未公布纯度）、CMOS 兼容后端集成——这意味着技术路线与现有半导体产业无缝对接。相比之下，英特尔近期也展示了由CMOS标准工艺线制备包含数百量子点的高密度硅基芯片。

硅，这个将人类带入信息时代的材料，或许也将成为承载量子计算商业未来的基石。尽管HRL的团队由于经费原因解散，其主体被IBM收购^[5]，部分工作人员被英特尔、Diraq等硅基量子计算公司瓜分，但这既是结束，也是新的开始。这项工作像是硅基量子计算王者归来的宣言——它告诉世界：在量子计算的赛道上，硅基路线不仅没有掉队，反而凭借其与 CMOS 工艺天然的兼容性，正在成为最具商业化前景的候选者之一。

参考文献链接：

[1] Members of the HRL Quantum Team and Collaborators. A digitally controlled silicon quantum processing unit. Nature 655, 1154–1159 (2026).https://doi.org/10.1038/s41586-026-10754-7

[2] Andrews, R.W., Jones, C., Reed, M.D. et al. Quantifying error and leakage in an encoded Si/SiGe triple-dot qubit. Nat. Nanotechnol. 14, 747–750 (2019). https://doi.org/10.1038/s41565-019-0500-4

[3] Nature 655, 1141-1142 (2026)https://doi.org/10.1038/d41586-026-02124-0

[4]https://www.energy.gov/science/articles/silencing-noise-doe-unveils-breakthrough-domestic-silicon-and-germanium-isotope

[5] https://newsroom.ibm.com/2026-07-23-ibm-to-acquire-hrl-laboratories-to-power-the-future-of-quantum