自旋量子比特成量子計算賽道“黑馬”

　　正如經典計算機以比特為基石，量子計算機的運算核心則是量子比特。在通往實用量子計算的征途上，全球科研團隊與科技巨頭各顯神通，開發了光子、原子阱、量子點、超導等多種量子比特技術。例如，谷歌、IBM等主流企業深耕超導量子技術路線；微軟公司聚焦拓撲量子比特；美國加州理工大學物理學家團隊則構建出全球最大的量子比特陣列——6100個中性原子量子比特陣列……

　　在各路量子比特大顯身手之際，曾被視為“小透明”的自旋量子比特逐漸嶄露頭角：四個獨立團隊近期在《自然》等期刊接連發布突破性成果，由這種量子比特構建的量子設備性能顯著提升，錯誤率大幅下降，引發學界關注。

HRL實驗室18量子比特量子計算機。圖片來源：HRL實驗室公司

　　雖然目前最先進的自旋量子比特處理器集成規模僅為十幾個量子比特級別，距離實用化還有很長的路要走，但在朝著實用計算機目標奔馳的量子計算賽道上，自旋量子比特已成為前景看好的“黑馬”。

　　契合現有硅芯片工藝

　　自旋量子比特，是利用電子或原子核的自旋方向（向上或向下）編碼量子信息的基本單元，被視為構建大規模量子計算機的“潛力股”。它如同微觀世界的指南針，指針可指向“上”（代表量子態0）或“下”（代表量子態1）。更神奇的是，它能同時處于“上”與“下”的疊加態，為并行計算注入超強動力。

　　這種量子比特之所以備受一些專家青睞，得益于兩大先天優勢。首先，它“扎根”半導體土壤，采用硅、鍺等材料制造，可直接嫁接全球成熟的芯片生產線，大幅降低量產門檻；其次，它“韌性”十足，部分硅基自旋量子比特的相干時間達秒級，遠超超導量子比特的毫秒級，為復雜運算提供了更充裕的“穩定窗口”。

　　目前，科研界正探索多條技術路徑，優劣各異：電子自旋量子比特通過操控單電子自旋編碼信息，操控速度較慢但技術成熟；空穴自旋量子比特利用半導體中的“空穴”自旋，可實現全電場高速操控，但對環境噪聲敏感；自旋翻轉量子比特則結合電子與原子核自旋，擴大量子比特間距，為大規模集成鋪路。

　　錯誤率大幅降低

　　隨著技術不斷演進，自旋量子比特領域也捷報頻傳，主要集中在降低自旋量子比特的錯誤率以及提升其性能方面。

　　3年前，該領域的“扛把子”系統僅囊括兩個自旋量子比特，且單量子比特錯誤率高達4%（即每執行100次操作可能出錯4次），但近期多項成果令人振奮。

　　《自然》雜志最新刊發的兩篇論文顯示，美國HRL實驗室與荷蘭代爾夫特QuTech團隊均實現突破：HRL的18量子比特處理器將單量子比特錯誤率壓低至0.02%；QuTech更打造出53量子比特系統，錯誤率約0.3%。評審專家評價HRL成果為“自旋量子比特技術成熟的關鍵里程碑”。

　　同賽道選手也不遑多讓。今年4月，代爾夫特初創公司Groove Quantum推出18量子比特鍺基設備，單量子比特錯誤率約0.2%；日本理化學研究所團隊在預印本平臺披露，其5量子比特系統錯誤率低于0.01%。

　　在提升自旋量子比特操控性能方面，來自中國科學技術大學、南方科技大學、中國科學院物理研究所以及本源量子計算有限公司的科學家攜手，在硅基鍺量子點中實現了自旋量子比特操控速率的電場調控，以及自旋翻轉速率超過1.2吉赫茲的自旋量子比特超快操控，該速率是國際上半導體量子點體系中的最高值。

　　降噪與布線革新

　　這些突破背后，是技術難關被接連攻克。

　　例如，HRL實驗室公司的量子比特基于電子自旋構建，電子需置于毫開爾文級超低溫環境，隔絕電磁與熱噪聲，后者會輕易摧毀脆弱的量子態。項目主導者雅各布·布魯莫夫表示，在最新進展中，他們將量子比特所受噪聲降低至1/10。而且，他們還在系統設計，主要是布線系統方面進行了革新。傳統量子計算機依賴多根銅線傳輸信號，但隨著量子比特數增至萬級甚至以上，銅線產生的熱量與空間限制將成致命瓶頸。HRL以1厘米寬的超導電纜帶取代銅線，既減少熱干擾，又為可擴展性奠定基礎。

　　日本理化學研究所團隊也在其設備中采用了類似技術。

　　前進之路阻且長

　　當前，最先進的自旋量子比特處理器仍停留在“十幾個量子比特”量級，距解決實用問題所需的數萬量子比特規模及百億分之一量級錯誤率仍有鴻溝。

　　相較之下，超導量子計算機已突破100量子比特，中性原子量子計算機更達數千量子比特規模。

　　但研究者們滿懷信心。布魯莫夫強調，現有成果僅是“原型機”，他們堅信系統設計可實現商用級性能。低錯誤率正成為自旋量子比特的“王牌”，其硅基兼容性與長相干時間更賦予它獨特的“后發優勢”。當技術迭代持續突破材料、噪聲與集成瓶頸，這匹量子賽道上的“黑馬”，或將改變全球實用量子計算機的競賽格局。