硅量子计算机，首次实现逻辑运算

硅在现代电子器件中无处不在，如今在量子计算领域的价值也日益凸显。硅与现有芯片工艺高度兼容，且基于硅的自旋量子比特相干时间长，使其成为实现规模化量子计算的理想材料。发表于《自然・纳米技术》的一项最新研究，首次展示了硅材料在逻辑量子处理器中的应用，实现了该领域零的突破。

硅基逻辑量子处理器

量子计算机极易受环境噪声干扰产生误差，给实用化量子计算带来重重障碍。为抑制此类误差，可通过容错量子计算（FTQC）将信息编码至逻辑量子比特中。在此项研究之前，硅基平台尚未实现过容错量子计算中的逻辑运算。

研究作者表示：“在硅基量子处理器中，随着系统规模扩大，频率拥挤与串扰问题会进一步放大误差。要解决这一问题，逻辑编码是唯一可行方案，即将量子信息冗余存储在多个物理量子比特上。尽管逻辑量子比特与逻辑运算已在超导电路、中性原子、氮空位中心、囚禁离子等平台成功验证，但在硅基自旋量子比特上实现相关技术仍面临显著挑战。”

不过，研究团队成功攻克了这些难题。为构建逻辑量子处理器，研究团队在硅施主簇中使用五个磷核自旋作为量子比特，并采用 [[4,2,2]] 量子检错编码 —— 该编码可将两个逻辑量子比特编入四个物理量子比特，是验证量子容错所需资源最少的编码方案。逻辑门通过核磁共振与电子自旋共振结合实现，最终器件可在处理量子信息的同时进行检错，并减少信号串扰（量子系统主要误差来源）。

模拟实验取得成功

研究团队利用该硅量子计算机完成了水分子基态能量计算任务，通过变分量子本征求解器（VQE）量子算法，采用逻辑量子比特模拟水分子基态。

研究作者表示：“实验中我们综合运用三种误差缓解技术：通过奇偶校验确保数据维持在编码空间内，通过克利福德拟合利用预校准拟合函数缓解误差，以及通过对称性验证将密度矩阵投影至哈密顿量约束的对称子空间。”

结果显示，这些误差缓解技术显著提升了实验精度，VQE 实验结果与理论值 “高度吻合”。

未来规划

硅基逻辑量子处理器的成功实现，是迈向规模化量子计算的重要里程碑。团队计划进一步优化施主排布，进一步降低串扰以提升性能，并在后续项目中扩展至更多逻辑量子比特与更大规模的施主阵列。

研究人员表示：“我们将制备施主簇阵列以实现系统扩容，并搭建容错量子计算架构，该阵列可灵活重构以适配不同容错编码方案。依托本研究验证的高连通性托佛利门、强偏置噪声、簇态编码逻辑量子比特等特性，我们有望为该系统设计定制化容错方案。这项工作标志着硅基量子计算从物理量子比特操作，迈向容错逻辑编码的新阶段。”