一、【科学背景】
本研究的背景源于量子计算对突破经典计算能力瓶颈的迫切需求。要实现量子计算在实际问题中的优势，核心挑战在于在保持高保真度和高连通性的同时，实现量子比特数量的可扩展。当前，超导、离子阱和中性原子等体系在量子比特数量上取得领先，但在进一步扩展时面临制造复杂、控制系统庞大以及材料工程等方面的限制。相比之下，硅基量子计算平台因其器件尺寸小、与成熟半导体工业高度兼容而展现出重要潜力。然而，现有硅基量子器件在多比特精确操控和高保真耦合方面仍存在显著困难，限制了其在复杂量子线路和量子纠错中的应用。在此背景下，基于硅中精确排布磷原子的自旋量子计算方案逐渐受到关注。该体系利用单电子与多个核自旋形成的多自旋寄存器，在相干时间、读出方式和原生多比特门操作方面具有独特优势。但要将这一方案扩展为可实用的量子处理器，仍需解决量子处理节点之间的高速互连问题，同时避免引入额外噪声和性能损失。尤其是如何在保持高保真度的前提下，实现快速、稳定且可扩展的多比特耦合，是该研究领域亟需突破的关键问题。
二、【创新成果】
近日，硅量子计算有限公司（Silicon Quantum Computing Pty Ltd）和新南威尔士大学Michelle Y. Simmons团队在Nature上发表了题为“An 11-qubit atom processor in silicon”的论文，该研究构建了一种基于硅中精确排布磷原子的11比特原子量子处理器，通过电子交换相互作用实现多个核自旋寄存器的高保真非局域纠缠，验证了单比特与多比特量子门及多体纠缠态的高性能运行，为可扩展、容错量子计算奠定了基础。
图1. 11 比特原子处理器的单比特特性 © 2025 Springer Nature
图2 核自旋（CZ）与电子自旋（CROT）之间的高保真双比特操作 © 2025 Springer Nature
图3 寄存器内（左，本地）及跨寄存器（右，非局域）的贝尔态 © 2025 Springer Nature
图4 非局域多量子比特GHZ态 © 2025 Springer Nature
三、【科学启迪】
该项成果有助于推动硅基原子量子计算从单一量子寄存器迈向模块化、可扩展体系，解决了多自旋寄存器之间高保真相干连接的关键问题，将会在容错量子计算和大规模量子处理器架构研究中产生重要影响。该工作表明，通过原子级精度的器件构建与系统化的校准控制策略，可以在扩大量子比特连接规模的同时保持优异的量子操作性能，为实现复杂纠缠结构和量子纠错提供了可靠基础。这一成果启示未来量子计算的发展不仅依赖单比特性能提升，更依赖可复制、可互连的模块化设计思路，具有在高可靠量子信息处理和先进半导体量子技术中的重要应用潜力。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09827-w
