量子芯片量产重大进展：现成芯片工厂即可生产量子处理器
量子计算机有望颠覆密码破译、新药研发、材料模拟、人工智能等众多领域，拥有远超传统超级计算机的运算潜力。然而多年以来，量子芯片一直很难大规模量产。
目前很多量子处理器，需要特殊提纯材料、超精细定制设备，生产流程和现在成熟的半导体工厂生产线完全不兼容。制造成本高昂，良品率低，很难实现大批量扩展，这就成为制约量子计算从实验室走向商用的巨大障碍。
近日，《Nature‑Communications》这项重磅研究，跳出了特殊材料的思路，直接利用天然硅晶圆，也就是芯片厂日常生产用的普通硅基底，以空穴（hole）作为量子比特载体，成功实现高精度、高速度的量子逻辑运算。这项成果打通了量子芯片与现有半导体代工生产线兼容的道路，大大加速硅基量子计算机商业化落地进程。
什么是空穴量子比特，量子世界独特的运算载体
绝大多数人熟悉电子，电子带负电荷，在硅芯片当中负责传递信号。而 “空穴” 可以简单理解成硅晶格当中缺失电子之后留下的带正电空位。空穴可以在硅材料内部移动，并且拥有可以用来储存量子信息的自旋状态，完全能够充当量子比特。
对比电子量子比特，空穴在硅材料里有着得天独厚的优势。空穴的自旋‑轨道相互作用更强，人们能够使用快速电场，而非缓慢的磁场，操控量子比特。电场操控响应速度极快，因此空穴量子逻辑门就可以做到高速运算。
但是空穴系统十分敏感，想要精准控制它、减少量子信息丢失，过去往往需要使用同位素提纯后的高纯硅，隔绝硅‑28 之外其他原子核带来的干扰，否则很容易引发量子退相干，运算出错。提纯硅的工艺价格昂贵，很难大规模生产。而本次研究直接放弃高纯硅，大胆使用普通商用天然硅晶圆开展实验。
天然硅平台，实现高速精准量子逻辑运算
天然硅里面含有少量硅‑29 等同位素，这些原子自带核自旋，很容易干扰量子比特，造成运算误差。这也是过去科研人员普遍认为天然硅并不适合做量子芯片的核心原因。
本次研究团队通过优化器件结构、改良操控脉冲方案，成功克服天然硅基底带来的噪声干扰。他们在普通硅代工平台上制备出基于空穴的量子器件，完成了双量子比特逻辑门运算。实验结果证明，这套量子逻辑运算不仅速度飞快，同时还保持着非常高的保真度。
简单来说，研究人员证明一件关键事实： 不用昂贵的高纯硅，现有芯片工厂就能做出性能优秀的量子比特。量子逻辑门的运算速度得到大幅提升，高速运算也缩短了量子比特暴露在噪声当中的时间，进一步降低量子信息丢失的风险，形成良性循环。
兼容现有半导体生产线，量产量子芯片迎来曙光
这项研究最大的亮点，就是器件制造依托成熟硅代工厂平台。现如今全世界的 CPU、内存芯片全部都在硅晶圆生产线上制造。如果量子芯片也可以使用一模一样的生产线加工，就不需要重新搭建一套造价高昂的全新工厂。
这意味着未来量子处理器有机会和传统电路集成在同一块硅芯片上，打造出量子‑经典混合处理器。传统芯片负责日常控制任务，空穴量子比特负责执行复杂量子运算任务，二者协同工作。
长久以来，可扩展性一直是硅自旋量子计算最难翻越的大山。高纯硅材料产能有限，成本居高不下，很难一次性制造成千上万的量子比特。天然硅方案打破了这一瓶颈。借助全球已有的成熟半导体产业链，大规模生产硅基量子芯片，从遥远设想变为现实可行的路线。