硅晶片上的量子突破：原子核「通话」实现可扩展量子电脑 - HonWay Materials

量子电脑被视为改变未来科技的重要力量，但要将脆弱的量子现象放在晶片上并大规模运作，一直是科研的难题。澳洲新南威尔斯大学（UNSW）研究团队最近取得突破：他们首次在硅晶片中让原子核自旋形成量子纠缠，并能在 20 奈米距离下互相「对话」，为量子电脑的实用化铺路。

什么是量子纠缠？

量子纠缠就像一对同步的双胞胎：即便相隔很远，一个人的动作会瞬间影响另一个人。这种现象让量子电脑可以同时处理大量资料，比传统电脑快上数倍。然而，要在硅晶片上实现原子核间的纠缠并不简单。过去，原子核必须共享同一颗电子才能互相作用，就像只有在同一房间的人才能清楚交谈，房间一旦满了，就难以扩大。

UNSW团队的创新在于，不再依赖原子核共用电子，而是利用电子的「扩散能力」作为讯号桥梁。即便两个原子核相隔约 20 奈米（相当于人类头发宽度的千分之一），它们仍能透过电子建立稳定联系。研究人员形容，以前的原子核就像被关在隔音室里，仅能在室内对话；现在则像拿到电话，可以跨房间交流。

20 奈米的距离正好对应现代电脑与手机晶片的制程尺度。这意味着，未来量子电脑可以直接采用现有半导体技术量产，无需重新设计制造流程。对半导体产业而言，这大幅提升了量子电脑从实验室走向市场的可能性。 UNSW团队表示，这种方法稳定且可扩展，未来可加入更多电子与原子核，实现更大规模的量子运算。

团队利用硅晶片中的磷原子核自旋来储存量子资讯。自旋是量子电脑超越传统计算机的关键资源。研究显示，量子资讯可以在这些自旋中保存超过 30 秒，并且量子逻辑运算的错误率低于 1%，证明这些原子核自旋既稳定又孤立，是理想的量子运算载体。

虽然电子是微小的粒子，但它们能在空间中扩散，与多个原子核互动。研究人员比喻：过去原子核像隔音室里的人，只能在室内对话；现在电子就像电话，让它们跨越距离互相交流。这种方法打破了原子核必须共用单一电子的限制，是实现硅量子电脑可扩展性的关键。

即使已经能在晶片尺度实现量子纠缠，要打造可比肩超级电脑的量子系统仍需数百到数千个量子位元稳定运作。如何在保持低错误率的前提下扩大规模，是接下来的核心挑战。不过，这项研究展示了在现有半导体工艺下建构量子微晶片的可能性，使大规模量子电脑更接近现实。

UNSW的突破标志着量子电脑迈出关键一步：原子核自旋能在晶片尺度上纠缠并互相通讯，为可扩展量子电脑提供新方法。随着技术进一步成熟，量子电脑有望真正融入日常生活，改变运算方式与科技格局。

资料来源:

「电子交换介导的核自旋的可扩展纠缠」作者：Holly G. Stemp、Mark R. van Blankenstein、Serwan Asaad、Mateusz T. Mądzik、Benjamin Joecker、Hannes R. Firgau、Arne Laucht、Fay E. Hudson、Benjamin Joecker、Hannes R. Firgau、Arne Laucht、Fay E. Hudson、Andrew S. Dzuoh、Andrew N. J.A. J. Morello，2025 年 9 月 18 日，《科学》。
“就像打电话一样”——量子力学突破让单个原子以前所未有的方式“聊天”
像雙胞胎一樣同步！矽晶片內原子核首次成功量子糾纏

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