核自旋是最早考虑用于量子信息处理的物理平台之一，因为它们具有卓越的量子相干性和原子尺度的足迹。然而，它们在量子计算方面的全部潜力尚未实现，因为缺乏在可伸缩设备内连接核量子位的方法，该设备与具有足够保真度的多量子位操作相结合，以维持容错量子计算。在这里，澳大利亚新南威尔士大学Andrea Morello 教授团队演示了在硅纳米电子器件中使用一对离子注入的³¹P施主核的通用量子逻辑操作。通过对共享电子自旋施加几何相位，获得了核双量子比特受控Z门，并用于制备保真度高达94.2（2.7）%的纠缠贝尔态。量子操作使用门集层析成像（GST）进行精确表征，得到一个量子位的平均门保真度高达99.95（2）%，两个量子位的平均门保真度为99.37（11）%，两个量子位的制备/测量保真度为98.95（4）%。这三个指标表明，硅中的核自旋正接近容错量子处理器所需的性能。然后研究人员通过产生保真度为92.5（1.0）%的格林伯格-霍恩-齐林格三量子位态来证明两个原子核和共享电子之间的纠缠。由于半导体中的电子自旋量子位可以进一步耦合到其他电子或物理上穿梭于不同的位置，这些结果为利用施主核自旋和电子自旋进行可伸缩量子信息处理提供了可行的途径。研究成果以Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon为题发表于Nature。