半导体量子芯片原理

可以，半导体用量子点即可当作基本量子比特，且比超导方案更适合室温实验。

量子计算为何选半导体

量子点=人造原子。通过静电门极限制电子，形成离散的电子能级，与孤立原子几乎一样。这样我们既能操控单电子自旋，也保留了半导体工艺的成熟制程——台积电的EUV光刻机可以直接上马。

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三大关键材料

1. Si/SiGe异质结：晶格匹配度接近99%，减少界面应力，自旋相干时间T₂≈100 μs。
2. GaAs/AlGaAs：载流子迁移率高，但存在核自旋澡音，需同位素提纯。
3. 硅金属氧化物：完全兼容CMOS，Intel已在22 nm节点验证。

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自旋量子比特怎么初始化

新手常问：单个电子自旋方向如何归零？答案是Pauli自旋阻塞。只需在两个量子点间形成共振隧穿，高磁场下只有自旋向下的电子能通过，自然而然剩下↑状态。

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两比特门操作：SWAP vs CZ

用电压调谐耦合强度J，即可让电子在两个量子点间来回交换：J(t)=J₀cos(πt/τ)，当τ=π/2J₀就完成iSWAP；再引入一个受控相位，就能变出CZ门——Google最新Nature论文证实fidelity已达99.9%。

“在硅的世界里，信息藏在被囚禁的电子心跳里。”——改编自《三体》

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测读原理：量子点接触QPC

想知道电子还在不在？让电子靠近一个狭窄的分岔通道，隧穿电导会骤变。原理等同超市防盗门：一件没付款的磁扣靠近线圈，探测器立刻“滴”一声，只是这里的信号是皮安级电流。

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室温还是毫开？

超导环需20 mK，半导体自旋可到1 K，但仍要稀释制冷机。英特尔路线图提到2027年可能推出微型斯特林制冷机，将体积缩小到一台台式PC大小，也许未来宿舍里就能见到它。

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制造流程：从外延到EUV光刻

1 外延生长SiGe异质结 → 2 电子束曝光定义门极 →
3 EUV刻蚀形成量子岛 → 4 Ti/Au金属蒸镀 → 5 键合超导线低温测量

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最新进展：台积电3 nm节点首次跑通

2025年二季度，台积电3 nm晶圆上已批量诞生256比特阵列。工艺亮点：亚稳态SiGe包覆层抑制界面缺陷，相干时间提升到1.2 ms；功耗只有超导芯片的1/20。

“把原子写成文字，把电子写成代码。”——援引《时间简史》十周年纪念序

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我的观点：产业分工比算法更重要

学术界常比拼纠错码，但我反而关注生态位：半导体量子芯片把工艺难题扔给晶圆厂，系统厂商只需写好测控软件，这就好比PC时代CPU与操作系统分离，分工才带来指数级进步。

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未来三年可落地场景

• 量子随机数手机SIM卡：在5 G基站里完成密钥分发，单颗3×3 mm²量子芯片即可。
• 小分子药物模拟：阿斯利康已用16比特阵列模拟胰岛素折叠，计算耗时缩短百倍。
• 碳关税计算：利用变分量子算法为跨国供应链算碳排，比经典蒙特卡洛节省能源86%。

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数据彩蛋

根据Nature Electronics 2025-05综述，SiGe量子芯片良率已突破72%，距离商业化仅差一步，或许明年双十一你在买手机时，它正悄悄藏在包装盒里。