硅基量子计算新突破：团队同时优化逻辑计算与错误检测

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2026-03-27

科学家第一次用硅基量子计算机“算”出了水分子的能量。更重要的是，这次计算发生在一个能探测错误、能逻辑编码的硅基量子系统中。而相关的两项重要成果，都来自深圳国际量子研究院俞大鹏院士、贺煜研究员团队。

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在 Nature Nanotechnology 发表的成果中 [1]，研究团队在硅基量子计算领域取得里程碑式突破。他们第一次利用五个磷原子核自旋实现了容错通用逻辑量子门操作，不仅完成了从物理量子比特到逻辑量子编码的关键跨越，还通过两个逻辑量子比特计算出水分子（H₂O）的电子基态能量。

该研究相当于首次用量子计算机进行了一次“化学作业”实测。尽管其在精度方面还不能与传统超级计算机相比，但从原理上证明，硅基量子计算可走通“编码-纠错-计算”的完整链条，为未来制备出实用化的硅基量子计算机提供了理论基础。

图丨研究团队（来源：受访者）

在 Nature Electronics 发表的成果中 [2]，研究团队在量子错误探测上取得突破性进展。研究人员在原子级精度加工的硅基量子计算芯片上，首次演示了利用稳定子测量方法直接探测任意单量子比特错误的可能性。

该研究在验证硅基自旋量子比特具有高质量纠缠的能力的同时，也为未来硅基大规模容错量子计算的应用奠定了基础。贺煜对 DeepTech 表示：“大规模容错量子计算机未来还有很多环节需要逐一验证。我们的技术相当于补上了容错量子计算中的一块关键拼图。”

从物理比特到逻辑计算：硅基量子芯片首次“算出化学问题”

贺煜本科和博士毕业于中国科学技术大学近代物理系，师从潘建伟院士和陆朝阳教授。之后分别在陆朝阳教授课题组和澳大利亚新南威尔士大学米歇尔·西蒙斯（Michelle Simmons）课题组从事博士后研究。

此前，他利用扫描隧道显微镜光刻技术制备了硅量子计算芯片，以单原子级别的精度将两个磷原子量子点放置在 13 纳米间距上，在硅量子芯片上实现了第一个高速两比特门——800 皮秒的根号交换门，为大规模可扩展的硅量子计算奠定了基础。

在量子优势方面，他与合作者利用光子的玻色抽样方案结合新型多光子干涉仪，特定计算任务上首次实现了量子计算机对第一台电子管计算机 ENIAC 和第一台晶体管计算机 TRADIC 的超越。

此外，他还在固态量子网络研究方向创新突破，实现了单光子到单电子的量子隐形传态，开发了一整套全新的单光子频率比特控制和测量方案，不仅验证了单个光子和电子之间的纠缠，还把光子的量子信息传递到 5 米远的电子自旋上。

2020 年 3 月，他回国加入南方科技大学、深圳国际量子研究院。凭借在量子计算和量子网络方面取得的一系列开创性成果，成为 2020 年“35 岁以下科技创新 35 人”（Innovators Under 35，简称 TR35）中国区入选者之一。

图丨贺煜（来源：受访者）

在此前的研究基础上，在本次 Nature Nanotechnology 研究中，研究团队采用扫描隧道显微镜氢掩膜光刻技术，以原子级精度加工了硅基量子处理器。由磷原子团簇构成的量子计算架构，能够实现物理比特的良好寻址以及全联通的高效多比特门。

贺煜指出，“这种门结构的优势是连通性高和编译效率高，为实现逻辑电路提供了关键支撑。为实现高保真操控，我们还设计了串扰抑制方案。”

[[4,2,2]] 编码是一种资源需求极小的容错编码方案，研究人员基于 [[4,2,2]] 量子错误探测码，只用五个物理量子比特即可实现编码两个逻辑量子比特，其中一个为辅助比特。

为验证逻辑量子计算方面的效果，研究团队进行了一系列实验。首先，他们演示了逻辑量子态的容错制备，其中包括逻辑纠缠态，并通过后处理筛选显著提升保真度。在此基础上，他们还进一步演示了完整的通用逻辑量子门集。

结果显示，单、双比特克利福德（Clifford）逻辑门皆得以实现。更重要的是，研究团队通过测量诱导的量子门方法，实现了逻辑 T 门。贺煜解释道：“该方法与未来容错架构兼容，而逻辑 T 门是构建通用量子计算机的关键组件，它与 Clifford 门的组合为完成通用量子计算任务提供了可能。”

图丨容错制备的逻辑态（来源：Nature Nanotechnology）

在本次研究中，研究团队展示了这种量子处理器的应用潜力，并为逻辑编码方案运行实用量子算法提供了可行性证明。研究人员首次在硅基逻辑量子比特上成功对实际问题进行求解。

他们在两个逻辑量子比特上进行“变分量子本征求解”算法运算，值得关注的是，与理论值相比，在计算水分子电子基态能量方面的结果只存在 20 毫哈特里（mHa）的误差值。这种精准的计算潜力，为未来达到化学精度奠定了基础。

（来源：Nature Nanotechnology）

相关论文以《硅基量子处理器中的通用逻辑操作》（Universal logical operations in a silicon quantum processor）为题发表于 Nature Nanotechnology。深圳国际量子研究院、南方科技大学博士研究生张春辉、徐峰、张世航、深圳国际量子研究院研究员段明超是共同第一作者，俞大鹏院士、贺煜研究员、黄培豪副研究员、潘天洛副研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

硅基量子错误探测突破：容错计算补上关键一环

量子计算具有巨大潜力，但由于量子比特存在脆弱性使其容易出错。高精度、高保真的量子纠错技术是在量子系统进行信息编码，实现未来大规模通用量子计算的必经之路，通常需要用稳定子（stabilizer）进行错误探测和纠正。然而，在以往的研究中，硅基量子计算领域始终未能突破验证所需精确操控比特的数量。

（来源：Nature Electronics）

此前，新南威尔士大学教授西蒙斯团队在 Nature 发表论文，证明了量子门保真度，在原子级路线上实现 11 比特。

在发表于 Nature Electronics 的成果中，贺煜与团队利用这套系统证明了高精度线路的可行性。他们用原子核自旋作为比特，实现对两个粒子编码辅助空间的高精度量子非破坏（QND）读出。

在本次研究中所使用的硅基磷原子处理器中，包含了 4 个磷原子核自旋量子比特和 1 个电子自旋辅助量子比特。研究人员基于扫描隧道显微镜氢掩模光刻技术，巧妙设计了原子级精度的硅基量子处理器。结果显示，其成功实现了四比特量子错误探测电路，可检测任意单比特错误。

贺煜解释道：“与经典计算机中程序员需要信息校验类似，量子计算机也需要随着时间推移，逐步确认它上面编码的信息是否有错。”

图丨单比特错误探测以及偏置噪声观测（来源：Nature Electronic）

从技术路线来看，该电路基于[[2,0,2]]编码方案，用两个辅助量子比特同时且独立地对相位与比特翻转错误进行检测。实验中，研究人员利用 (SX =XX) 和 (SZ = ZZ) 两个稳定子，在高保真度的量子门操作和 QND 测量技术基础上，实现了高精度检测错误。

与此同时，该团队展示了该系统高效识别并纠正单比特错误的能力：即便在量子比特部分退相干发生，通过错误检测与后处理仍可恢复纠缠信息。此外，研究团队还发现，硅基量子系统中的噪声主要表现为退相干，并且噪声具有明显的偏置特性，这些发现为设计特定的量子纠错码提供了关键依据。

（来源：Nature Electronics）

实验中，研究人员利用单电子自旋共振和单原子核的核磁共振技术，实现了对电子和核自旋的相干操作，并通过量子态层析成像技术验证了量子态的保真度。结果表明，Bell 纠缠态平均保真度可实现 93.4%，凭借实现高保真度的单比特和两比特量子门操作，进一步生成的四比特 GHZ（Greenberger–Horne–Zeilinger）态保真度达 88.5%，这一指标创造了硅基体系的新纪录，说明该处理器在操控多体量子纠缠方面具有强大的能力。

之所以能够实现高质量的多体纠缠的关键诀窍，就藏在多体量子门——Toffoli 门之中。“系统本身的连通性以及电子耦合的物理特点，决定存在高连通性质的多体门。有了这多体门，就可以去组合它并快速实现纠缠。”贺煜告诉 DeepTech。

这些结果表明，硅基量子处理器在量子纠缠生成和量子门操作方面已经取得显著进展。

相关论文以《硅基量子处理器中的量子错误探测》（Quantum error detection in a silicon quantum processor）为题发表在 Nature Electronics[2]。深圳国际量子研究院/南方科技大学博士生张春辉和李春晖、深圳国际量子研究院助理研究员田振是共同第一作者，深圳国际量子研究院贺煜研究员、俞大鹏院士、胡光冲副研究员、王观勇副研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Electronics）

研究团队在此前发表于 Frontiers of Physics 的一篇综述论文中提到 [3]，量子计算分多个阶段，此前的工作多数集中在物理层面，包括基本操作、读出等；现阶段是含噪声中等规模量子计算（NISQ，Noisy Intermediate-Scale Quantum）；再往后是向大规模逻辑比特、逻辑运算推进，比如逻辑比特的盈亏平衡点、逻辑量子计算的优势验证等等；最终阶段则是具有实用价值的大规模容错量子计算。

（来源：Frontiers of Physics）