最复杂、最低温！硅基量子计算迎来关键转折，新的黑马杀出来了—— 原创 光子盒—IM电竞体育官方网站

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与超导、离子阱等实现量子计算的技术路线相比，硅基半导体量子计算虽然具备与现代先进集成电路制造工艺相兼容、相干时间长、可扩展性强等优势，但由于起步较晚、保真度较低等问题，一直饱受争议。

新的技术突破再次证明了硅量子计算的实力。

12月3日，硅基量子计算公司Equal1取得重大突破，他们展示了高保真度的硅量子比特阵列和迄今为止业界最复杂、温度最低的量子控制器芯片UnityQ，可在300毫开尔文的低温下工作，这也是“有史以来第一个在1开尔文下运行的”量子-经典计算芯片。

这些里程碑标志着硅基量子计算正在向可扩展的量子系统发起新一轮冲刺，利用现有的硅基础设施开发低成本、高效率的量子解决方案已经逐步接近现实。

什么是硅基量子计算？

硅基量子计算使用量子点中囚禁的单电子或空穴作为量子比特，通过电脉冲实现对比特的驱动和耦合。在通往量子计算的众多技术路线中，硅基半导体自旋量子比特的制造工艺与现代半导体先进制程相兼容，具有其他技术方法无可比拟的扩展优势, 被认为是最有希望实现容错量子计算的体系之一。硅基半导体量子计算主要具备以下几项优势：

-兼容性高，可扩展性强：硅基量子计算的微纳加工工艺与传统半导体工艺相兼容，使其能够无缝融入现有制造流程。此外，硅基量子比特的尺寸在100纳米以下，加之业界成熟的大规模生产技术，使得硅基量子计算系统能够与传统硅电路相集成，在大规模芯片制造和商业化应用中具备潜力，在商业化阶段也易于与半导体行业对接。

-相干时间长：硅基量子计算在全固态、芯片化量子计算方案中量子比特相干时间较长。例如，硅基磷原子的核自旋相干时间能够达到30秒，而电子自旋相干时间则超过500毫秒，为量子信息的长时间稳定保持提供了可能。

-全电学操控：硅基量子计算平台是基于电学调控的，有全电学操控的优势，这使得它在实现量子计算操作时更为灵活和高效。

突破性的硅量子比特指标

Equal1表示，其硅量子比特阵列已达到世界领先的性能指标：

单量子比特门保真度为99.4%，门速度为84ns；

双量子比特门保真度为98.4%，门速度为72ns。

这些成果是在由硅锗（SiGe）CMOS兼容工艺制造的6量子比特阵列上实现的，展示了制造强大、全尺寸、具有纠错功能的量子计算机处理器所需的关键里程碑，这些处理器可以由现有的硅芯片代工厂制造。

对此，Equal1首席科学官Elena Blokhina表示：“今天对Equal1和量子计算行业来说是一个关键的转折点。Equal1一直相信硅是扩展量子计算机的载体，凭借这些世界领先的量子比特和控制芯片成果，我们朝着这一愿景迈出了重要一步。”

Equal1首席量子架构师Nodar Samkharadze表示：“研究结果展示了硅量子比特的巨大优势——它在两个关键领域具备实现可扩展量子计算所需的性能，即量子门保真度和速度。”

超低温下先进控制电子元件的新纪元

Equal1还展示了一款开创性的量子控制器芯片UnityQ，可在300毫开尔文的低温下工作，是“有史以来第一个在1开尔文下运行的”量子-经典计算芯片。该芯片由Arm Cortex内核提供支持，将整个量子计算生态系统（测量、控制、读取和纠错）集成到单个硅芯片上，简化了算法开发，并消除了单独的经典系统和量子系统之间的复杂编排，释放了前所未有的性能和精度。

集成了AI驱动的量子比特自适应纠错功能，可实现实时优化，从而实现具有数百万个编排量子比特的可扩展系统。这项创新支持下一代量子算法和实际应用。

研究得到了与 Arm 的合作伙伴关系和全球资金的支持，使Equal1成为硅基量子解决方案的领导者。Equal1的UnityQ片上系统平台是专为实际可扩展性而设计的紧凑、高性能量子经典混合系统的典范，为制药、金融和材料科学等行业的变革性应用铺平了道路。

来源：Equal1

Equal1首席技术官Brendan Barry表示：“Equal1的使命是使用商用硅CMOS提供可扩展的量子计算，我们与ARM的合作证明了这种方法的可行性。对于下一步的合作我感到非常兴奋，我们希望能在未来几年提供集成UnityQ处理器路线图。”

Arm基础设施业务线产品解决方案副总裁Dermot O Driscoll表示：“量子计算有望彻底改变多种用途的数据处理，通过在低温下集成Arm技术，Equal1正处于构建下一代量子片上系统的前沿，我们期待继续与他们合作，迈向量子计算的未来。”

这些综合成就，以及Equal1实现多对多连接的创新架构，展示了硅量子计算的巨大优势——能提供高质量的门以及支持下一代算法所需的速度，从而支持现实世界的应用，所有这些都由现有的半导体CMOS工艺实现。

Equal1总裁兼首席物理学家Dirk Leipold强调：“Equal1的愿景已经酝酿了几十年。我为我们在过去六年中取得的成就感到非常自豪，随着我们开启可扩展量子计算时代，我对未来感到兴奋。”

2024，硅基半导体量子计算加速冲刺

不只是Equal1，今年以来，很多科研单位与量子计算公司都在硅基量子计算领域取得了重要进展。

3月，新南威尔士大学、澳大利亚硅量子计算公司Diraq、牛津大学等在《自然》期刊上发表题为“High-fidelity spin qubit operation and algorithmic initialization above 1 K”的研究论文。在1开尔文以上的温度下调整并操作硅中的自旋量子比特，其保真度达到了这些温度下容错操作所需的范围。研究人员设计了一个算法化的初始化协议，即使热能显著高于量子比特能量，也能准备一个纯净的两量子比特态，并结合射频读取技术，实现了高达99.34%的读取和初始化保真度。此外还展示了高达99.85%的单量子比特Clifford门保真度，以及98.92%的双量子比特门保真度。这些进展克服了热能必须远低于量子比特能量才能实现高保真操作的基本限制，这是通往可扩展和容错量子计算的主要障碍。

5月，美国分布式硅量子计算公司Photonic宣布了通往商业量子系统道路上的一个重要里程碑。虽然许多现有的量子架构实现了模块内的纠缠，但光子已经展示了模块间的纠缠。通过这种方式，Photonic的架构为大规模量子采用道路上的主要挑战之一——可扩展的纠缠分布提供了一个独特的解决方案，为材料科学和药物发现等领域的变革性应用开辟了途径。Photonic的方法基于具有本地电信网络接口的光学连接硅自旋量子比特，这意味着它可以与当今全球电信网络的基础设施、平台集成，包括Microsoft Azure云。

6月，澳大利亚硅量子计算公司Diraq宣布，使用imec公司采用行业标准的CMOS材料，研究团队在300毫米硅晶圆上制造的量子比特达到了99.9%的控制精度。通过确保99.9%的单量子比特控制保真度，Diraq达到了现有硅芯片代工厂制造的强有力、全尺寸、具有纠错功能的量子计算机处理器所需的精度水平。在 imec 器件上演示的结果，是使用标准CMOS材料和工艺在300mm代工环境中制造的硅自旋量子比特迄今为止表现出的最高单量子比特保真度。

图：6月，Diraq实现了现有半导体基础设施制造的器件的创纪录精度

来源：Diraq

8月，澳大利亚新南威尔士大学、硅量子计算公司Diraq、悉尼大学、美国桑迪亚国家实验室等组成的研究团队在《Nature Communications》期刊上发表题为“Assessment of the errors of high-fidelity two-qubit gates in silicon quantum dots”（硅量子点中的高保真双量子比特门的错误评估）的研究论文。研究团队研究了自旋量子比特处理器中的错误，并将其与之物理起源联系起来。利用这些知识，研究团队在技术上重要的硅金属氧化物-半导体量子点平台中，演示了保真度高于99%的、连贯可重复的双量子比特门操作。此外，还研究了量子比特设计、反馈系统和稳健门设计的影响，阐述了将基于硅自旋的量子比特扩展到全尺寸量子处理器的潜力和挑战。

10月，来自芬兰VTT技术研究中心的研究团队演示了硅单量子点和双量子点的可扩展片上多路复用技术。通过采用超低功耗的片上低温CMOS多路复用器，研究团队展示了对电子和空穴量子点的精确控制与读取，同时保持了极低的静态功率耗散。这项工作展示了在5.6开尔文下操作的量子点的低电荷噪声，预示了通过低温CMOS技术实现大规模硅基量子计算机的可能性。

新的黑马出现了

Equa1是来自爱尔兰的硅量子计算公司，在美国、加拿大、荷兰、罗马尼亚、都柏林都设有办事处。公司的创始论点很简单：硅推动了经典计算的每一次重大进步，因此Equa1相信它也会对量子计算产生同样的影响。作为一家初创公司，Equa1利用半导体技术来开发可扩展、经济高效的硅自旋量子比特。在短短六年时间里，Equa1成功生产了测试芯片，获得了独特IP专利，并实现了世界领先的量子比特性能，所有这些都采用标准代工工艺。

Equa1与领先的学术机构广泛合作，这些机构凭借在量子器件、量子信息处理和量子生态系统方面的基础研究而闻名，包括舍布鲁克的Institute Quantique、荷兰应用科学研究组织（TNO）、巴塞罗那超级计算中心和英国格拉斯哥大学。Equa1领导并参与了由欧盟委员会计划和爱尔兰国家计划支持的多个科学联盟，与全球顶级科学和工程团体密切合作。

图：Equal1的生态系统

来源：Equal1

Equal1的使命是让量子计算走向大众，让所有人都能获取这项变革性技术。Equal1相信可扩展的量子计算可以解决传统计算机无法解决的复杂问题，彻底改变各行各业并应对气候变化等根本挑战。

参考链接

[1]https://www.equal1.com/post/equal1-new-major-quantum-computing-breakthrough

[2]https://www.equal1.com/about

[3]https://arxiv.org/html/2412.01920v1

[4]https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20221900

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07160-2

[6]https://photonic.com/news/photonic-demonstrates-distributed-entanglement-between-modules/

[7]https://www.diraq.com/newsdesk/diraq-produces-device-using-semiconductor-infrastructure

[8]https://www.nature.com/articles/s41567-024-02614-w

[9]https://www.nature.com/articles/s42005-024-01806-3

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