超越99%保真度：工业兼容硅自旋量子比特单元实现量子计算新突破

时间：2025年9月26日

来源：Nature

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本期《自然》推荐一项量子计算里程碑研究：为解决半导体量子比特制造从学术向工业转化中的保真度与一致性难题，Diraq与imec团队采用300-mm CMOS工艺制备硅自旋量子比特，通过门集层析成像(GST)证实单/双量子比特门保真度均超99%，态制备与测量(SPAM)达99.9%，同时揭示29Si核自旋噪声是主要误差源，为同位素纯化技术路径提供关键依据。

在量子计算的竞赛中，硅自旋量子比特因其与现有半导体工业兼容的特性，被视为实现百万量子比特集成的理想载体。学术实验室中，这些量子比特已经展示了令人瞩目的高保真度操作和长相干时间。然而，一个关键问题始终悬而未决：当这些精巧的量子器件从学术实验室的定制环境，转移到标准半导体代工厂的300毫米大规模生产线时，其卓越性能能否被完美复刻？工业制造环境中的材料缺陷、界面陷阱以及电荷噪声，是否会成为量子比特性能的“杀手”？这个问题关乎量子计算能否从实验室走向产业化，是整个领域必须跨越的鸿沟。

为了回答这个根本性问题，由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）和量子计算公司Diraq领导，与比利时微电子研究中心（imec）合作的研究团队，在《自然》杂志上报告了他们的突破性进展。他们成功在imec的300毫米半导体代工生产线上制造了硅自旋量子比特单元，并证实其性能不仅达到了工业标准，更在多个关键指标上超越了以往的记录，为大规模量子处理器的制造铺平了道路。

研究人员采用了几个关键的技术方法来实现这一目标。首先，他们利用imec成熟的300-mm CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺平台进行器件制造，该平台结合了光学光刻和电子束光刻技术，实现了小于100纳米栅极间距的加工。其次，他们在富集²⁸Si（残留²⁹Si浓度约400 ppm）的 epitaxial layer（外延层）上制备了高质量的Si/SiO₂界面，这是形成低噪声量子点的关键。器件的核心是一个双量子点（double quantum dot）和一个邻近的单电子晶体管（SET），用于自旋态读读。实验在10 mK的稀释制冷机中进行，通过电子自旋共振（ESR）天线进行单量子比特操控，并通过交换门（J gate）电压脉冲控制双量子比特间的交换相互作用（exchange interaction），实现了受控Z门（CZ gate）操作。最终，他们采用门集层析成像（Gate Set Tomography, GST）这一严格的基准测试方法，而非更常用的交错随机基准测试，来精确量化所有量子操作的保真度和误差源。

Device operation

研究团队设计了四个双量子比特器件（标记为A-D），其设计包含一个双量子点和一个用于自旋读出的邻近单电子晶体管（SET）。器件在稀释制冷机中运行，双量子点中填充四个电子。通过交换门（J gate）电压控制点间隧道耦合，并利用（3,1）-（4,0）电荷转换处的泡利自旋阻塞（Pauli spin blockade）进行自旋宇称读读，SET以直流模式测量信号。电荷噪声测量显示1/f^α功率谱密度，振幅在0.79-0.98 μeV/√Hz at 1 Hz，与先前采用类似方法的低电荷噪声结果一致。

Two-qubit benchmarking

为精确捕捉量子操作中的误差，研究人员设计了GST实验，包含完整的门集{II, XI, IX, ZI, IZ, CZ}，并从中构建了包含12,263个唯一序列的列表。他们选择GST作为基准测试方法，因为它能提供具有特定误差通道的误差分类，并且通常比更常用的交错随机基准测试（interleaved randomized benchmarking）有更高的保真度要求，后者常常会高估保真度。

Reproducibility

所有四个器件在所有操作上的保真度均达到或超过99%，其中XI（IX）、ZI（IZ）和CZ门的保真度范围分别为99.23-99.59%（99.18-99.64%）、99.95-99.97%（99.95-99.97%）和99.04-99.56%。此外，随机IZ和ZI误差生成器在所有器件中主导了保真度贡献。特别地，与I门相比，CZ门的随机IZ误差生成器贡献更大，这可能与所有器件中使用的（3,1）电荷配置有关。SPAM保真度在四个器件中的三个（器件A、C和D）可重复地超过99.9%。

Discussion

器件A体现了300毫米晶圆上量子比特的高性能，因此可作为案例研究来检查保真度的来源。分析表明，ZI和IZ门是虚拟实现的，因此原则上无误差，但其保真度误差可归因于控制硬件中的微小时间延迟。最重要的是，对于XI、II和CZ门，保真度的最大贡献来自随机IZ误差生成器，而IX门则受随机ZI误差生成器限制。这些误差贡献可以通过²⁹Si核自旋与量子比特2的电子自旋态的耦合来解释。

研究还考察了磁场性能依赖性。在低磁场下，自旋回波相干时间T₂^Hahn显著增加，这表明量子比特适合更可扩展的控制技术，例如使用调制的微波场连续驱动自旋，使其与噪声解耦并消除自由进动。在低场下操作需要不同的双量子比特门模式，为了实现同样快的门操作，将实施类似SWAP的操作。

Conclusions

研究人员展示了在300毫米中试线工业制造的半导体量子比特的高保真度控制。与先前将电荷噪声视为关键限制因素的研究不同，他们的结果从噪声分析的角度令人鼓舞，无论是保真度值本身，还是它们为进一步通过核纯化改进铺平了道路。将本研究中所用400 ppm的²⁹Si进一步同位素富集到50 ppm或更低的水平，已在学术原型器件中得到演示。

研究表明，在工业环境中采用工程实践，结合对目标性能指标的系统搜索，可以带来最先进的自旋量子比特性能。理解量子比特性能与制造过程中可执行的测量（如电噪声和霍尔棒传输）之间的联系至关重要。从长远来看，量子比特方面需要进一步改进，对此噪声分析提供了一阶的攻击角度。为了减少容错量子计算的开销，所有操作达到99.9%的保真度是一个现实的目标。

现阶段，尚未对这些量子比特进行更大规模的统计分析。在此演示的水平上一致地校准量子比特仍然是一个密集的手动过程，在此过程中获得了许多科学见解。需要使这个过程自动化，以在大规模表征活动中持续实现这些结果。拥有在代工环境中制造的硅金属氧化物半导体（SiMOS）量子比特，将有助于未来大规模SiMOS量子比特阵列的演示。