引言

硅自旋广东会比特基于其与半导体制造工艺的固有兼容性，被确立为实现广东会计算的重要体系之一。然而，学术实验室中验证的高保真度操作在工业晶圆环境下的可重复性与稳定性，仍是该领域亟待解决的核心挑战。近日，澳大利亚新南威尔士大学与Diraq公司通过合作，在imec的300毫米晶圆产线上成功制备出硅自旋广东会比特单元，其所有关键门操作保真度均超过99%，并利用门集层析技术（gate set tomography, GST）系统解析了各类操作的误差机制。此项研究于2025年9月发表于《Nature》，为半导体广东会计算的产业化发展奠定了重要基础。

第一章：工业制程破冰，规模化量产成为可能

近年来，不少产业界的伙伴都尝试与学界进行合作，力图把实验室中较为成熟的广东会比特工艺转移到工业界的产线上，对广东会芯片进行大规模生产。作为与当今MOS工艺最为兼容的技术路线，SiMOS的广东会比特正试图验证在这一方面的优越性。本文实现了该目标，在300mm的晶圆上制备出了大批量的基于SiMOS广东会点的广东会比特芯片，并从中挑选出了具有代表性的四颗芯片（标记为A, B, C, D）进行研究。

图1 两广东会比特器件和电荷态。(a) Diraq双广东会比特芯片的300mm晶圆示意图。从上到下的比例尺依次为100nm, 10mm, 300mm。(b) 芯片A的电荷态图，展示芯片具有连续调节电荷数的能力。

第二章：展示基本广东会门的实现

在广东会计算中，构建通用广东会处理器需要一组功能完备的广东会门集合。其中，单广东会比特门（如围绕Bloch球X轴和Z轴的旋转门）与双广东会比特受控相位门（如CZ门）是构成此类通用集合的基础组件。理论上，任何广东会算法均可由这些基本门的序列组合来等效实现。因此，高保真度地实现与精确表征这些基础广东会门操作，是广东会计算研究领域的核心任务与性能基准。

对于单广东会门，本文利用了拉莫尔进动，对广东会比特施加18.610GHz附近的微波和0.662-0.7T的静磁场。文中还利用实时反馈对拉莫尔频率漂移进行补偿，提高了信号的稳定性。

对于双广东会门，本文通过调节J门电压，进而调节两个广东会比特之间的隧穿率和它们之间的耦合强度，实现了CZ门振荡。

图2 芯片A的单比特门操纵。(a) 比特1和 (b) 比特2的Rabi chevrons 图。展示了典型的Rabi震荡，且随着频率失谐量增加Rabi频率增加。(c) 比特1和比特2在它们各自的拉莫尔频率下的震荡曲线。

图3 芯片A的两比特门操作。初始化为 (a) 奇混合自旋态或 (b) 偶自旋态后，施加微波脉冲后探测到偶自旋的概率。(c) 不同J门电压下的CZ震荡。(d) 指纹图。(e) 从图(c)中拟合交换震荡提取出的交换强度和交换栅压的关系。对广东会比特1(f) 和比特2(g) 进行CZ门相位校准。

第三章：保真度表征和分析

本文设计了一组GST实验，测得了门集合{II, XI, IX, ZI, IZ, CZ}的保真度。II表示的是两个广东会比特都不做任何操作（或进行恒等操作）。XI和IX分别表示对其中一个广东会比特进行X门操作而另外一个广东会比特不做操作。ZI和IZ分别表示对其中一个广东会比特进行Z门操作而另外一个广东会比特不做操作。CZ表示对两个比特进行CZ门操作。实验通过12263个不同且唯一的操作序列，测得了全部门的保真度都在99%以上。

表1 四个广东会芯片测得的对GST门集合的保真度以及不同比特的退相干时间。

GST将门操作的误差分为两大类：哈密顿误差（系统性、相干的控制误差）和随机误差（非相干的退相干噪声）。分析结果显示，在所有门操作中，随机误差是限制保真度的最主要因素，其贡献为一阶；而哈密顿误差为二阶贡献，在经过精细校准后已被显著抑制。残余的²⁹Si核自旋是主要的噪声源。

总结与展望

本文证明了工业产线可以批量制备高保真度的广东会比特，误差机制清晰指向可优化的核自旋噪声。未来可以通过全自动校准、同位素纯化和广东会纠错，有望实现百万广东会比特集成。这一突破为广东会计算"硅基化"奠定了工艺基石。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09531-9

撰稿｜曾   健

指导｜裴   天