HRL实验室具有18个自旋量子比特的处理器架构。图片来源：HRL实验室

【科技创新世界潮】

◎本报记者 刘 霞

正如经典计算机以比特为基石，量子计算机的运算核心则是量子比特。在通往实用量子计算的征途上，全球科研团队与科技巨头各显神通，开发了光子、原子阱、量子点、超导等多种量子比特技术。例如，谷歌、IBM等主流企业深耕超导量子技术路线；微软公司聚焦拓扑量子比特；美国加州理工大学物理学家团队则构建出全球最大的量子比特阵列——6100个中性原子量子比特阵列……

在各路量子比特大显身手之际，曾被视为“小透明”的自旋量子比特逐渐崭露头角：四个独立团队近期在《自然》等期刊接连发布突破性成果，由这种量子比特构建的量子设备性能显著提升，错误率大幅下降，引发学界关注。

虽然目前最先进的自旋量子比特处理器集成规模仅为十几个量子比特级别，距离实用化还有很长的路要走，但在朝着实用计算机目标奔驰的量子计算赛道上，自旋量子比特已成为前景看好的“黑马”。

契合现有硅芯片工艺

自旋量子比特，是利用电子或原子核的自旋方向（向上或向下）编码量子信息的基本单元，被视为构建大规模量子计算机的“潜力股”。它如同微观世界的指南针，指针可指向“上”（代表量子态0）或“下”（代表量子态1）。更神奇的是，它能同时处于“上”与“下”的叠加态，为并行计算注入超强动力。

这种量子比特之所以备受一些专家青睐，得益于两大先天优势。首先，它“扎根”半导体土壤，采用硅、锗等材料制造，可直接嫁接全球成熟的芯片生产线，大幅降低量产门槛；其次，它“韧性”十足，部分硅基自旋量子比特的相干时间达秒级，远超超导量子比特的毫秒级，为复杂运算提供了更充裕的“稳定窗口”。

目前，科研界正探索多条技术路径，优劣各异：电子自旋量子比特通过操控单电子自旋编码信息，操控速度较慢但技术成熟；空穴自旋量子比特利用半导体中的“空穴”自旋，可实现全电场高速操控，但对环境噪声敏感；自旋翻转量子比特则结合电子与原子核自旋，扩大量子比特间距，为大规模集成铺路。

错误率大幅降低

随着技术不断演进，自旋量子比特领域也捷报频传，主要集中在降低自旋量子比特的错误率以及提升其性能方面。

3年前，该领域的“扛把子”系统仅囊括两个自旋量子比特，且单量子比特错误率高达4%（即每执行100次操作可能出错4次），但近期多项成果令人振奋。

《自然》杂志最新刊发的两篇论文显示，美国HRL实验室与荷兰代尔夫特QuTech团队均实现突破：HRL的18量子比特处理器将单量子比特错误率压低至0.02%；QuTech更打造出53量子比特系统，错误率约0.3%。评审专家评价HRL成果为“自旋量子比特技术成熟的关键里程碑”。

同赛道选手也不遑多让。今年4月，代尔夫特初创公司Groove Quantum推出18量子比特锗基设备，单量子比特错误率约0.2%；日本理化学研究所团队在预印本平台披露，其5量子比特系统错误率低于0.01%。

在提升自旋量子比特操控性能方面，来自中国科学技术大学、南方科技大学、中国科学院物理研究所以及本源量子计算有限公司的科学家携手，在硅基锗量子点中实现了自旋量子比特操控速率的电场调控，以及自旋翻转速率超过1.2吉赫兹的自旋量子比特超快操控，该速率是国际上半导体量子点体系中的最高值。

降噪与布线革新

这些突破背后，是技术难关被接连攻克。

例如，HRL实验室公司的量子比特基于电子自旋构建，电子需置于毫开尔文级超低温环境，隔绝电磁与热噪声，后者会轻易摧毁脆弱的量子态。项目主导者雅各布·布鲁莫夫表示，在最新进展中，他们将量子比特所受噪声降低至1/10。而且，他们还在系统设计，主要是布线系统方面进行了革新。传统量子计算机依赖多根铜线传输信号，但随着量子比特数增至万级甚至以上，铜线产生的热量与空间限制将成致命瓶颈。HRL以1厘米宽的超导电缆带取代铜线，既减少热干扰，又为可扩展性奠定基础。

日本理化学研究所团队也在其设备中采用了类似技术。

前进之路阻且长

当前，最先进的自旋量子比特处理器仍停留在“十几个量子比特”量级，距解决实用问题所需的数万量子比特规模及百亿分之一量级错误率仍有鸿沟。

相较之下，超导量子计算机已突破100量子比特，中性原子量子计算机更达数千量子比特规模。

但研究者们满怀信心。布鲁莫夫强调，现有成果仅是“原型机”，他们坚信系统设计可实现商用级性能。低错误率正成为自旋量子比特的“王牌”，其硅基兼容性与长相干时间更赋予它独特的“后发优势”。当技术迭代持续突破材料、噪声与集成瓶颈，这匹量子赛道上的“黑马”，或将改变全球实用量子计算机的竞赛格局。