近日，《自然》刊登了3篇關(guān)于硅基量子計(jì)算重大突破的論文，并且聯(lián)合作為當(dāng)期封面，甚是罕見。

研究人員首次完成了硅基量子計(jì)算兩比特門保真度超99%的突破，也就是說，每100次操作發(fā)生的錯(cuò)誤少于一次。至關(guān)重要的是，3項(xiàng)研究都超過了這個(gè)關(guān)鍵閾值——這使基于硅量子位的量子計(jì)算機(jī)成為一個(gè)可行的命題，實(shí)際制造和應(yīng)用大型硅量子處理器的“最后一公里”正在被打通。

3篇論文分別來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織的合作團(tuán)隊(duì)、日本理化學(xué)研究所和新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)。在荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織的團(tuán)隊(duì)中，華人博士薛瀟為論文一作，《中國科學(xué)報(bào)》就此對(duì)他進(jìn)行了專訪。

拿到“資格準(zhǔn)入”

與離子阱和超導(dǎo)材料等其他實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的路線相比，半導(dǎo)體量子(硅基量子)雖然擁有與現(xiàn)有半導(dǎo)體集成芯片工藝兼容、穩(wěn)定性更好、可擴(kuò)展性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但由于研究起步慢、面臨退相干以及保真度不足等技術(shù)難題，也受到了不少質(zhì)疑。

“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)于打破了這種質(zhì)疑。”薛瀟說，“證明硅基量子也可以做到和其他平臺(tái)一樣好。”

造出一臺(tái)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，量子糾錯(cuò)是必備的技術(shù)。而要實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，理論上必須保證計(jì)算中單比特門和兩比特門保真度都高于99%。其中，兩比特門的保真度一直以來是很大的難點(diǎn)。

為拿到這一鯉魚躍龍門式的保真度“資格準(zhǔn)入”，薛瀟所在團(tuán)隊(duì)從提純材料減少核自旋影響、實(shí)現(xiàn)雙量子比特間相互作用的精準(zhǔn)控制切入。“人們質(zhì)疑什么，我們就去攻克什么。”薛瀟說。

大約從2010年開始，為了減少核自旋影響，大量實(shí)驗(yàn)室開始從砷化鎵轉(zhuǎn)向硅。從自然界中直接提取的硅有硅28/29/30三種穩(wěn)定的同位素，其中硅28和硅30是沒有核自旋的。硅29雖然有核自旋，但含量?jī)H占5%?？v然如此，似乎還是不夠，怎么進(jìn)一步減少核自旋的影響呢?

薛瀟所在團(tuán)隊(duì)想到了提純——將自然界中的硅29剔除，升級(jí)成以核自旋為0的硅28為主的硅基材料。據(jù)此，他們最終完成了相干時(shí)間的數(shù)量級(jí)的提升：從砷化鎵到自然硅，相干時(shí)間提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí);從自然硅到純化硅，相干時(shí)間又提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得硅基量子實(shí)現(xiàn)了對(duì)其他路線量子計(jì)算相干時(shí)間的趕超。

在攻克材料關(guān)卡后，另一個(gè)難點(diǎn)是控制兩個(gè)量子比特間相互作用。薛瀟所在團(tuán)隊(duì)使用由硅和硅鍺合金二維電子氣形成的材料，通過門電極創(chuàng)造了一個(gè)兩比特門系統(tǒng)，不斷探索電子的相互作用、耦合強(qiáng)度以及環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了操作上的精準(zhǔn)控制。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，薛瀟所在團(tuán)隊(duì)使用門集層析成像技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。該技術(shù)可以在檢測(cè)保真度的基礎(chǔ)上，完整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的誤差。“知道了每次的誤差在哪兒，才能去進(jìn)一步矯正它們。”薛瀟說。

下一步，“從雙到多”

3篇論文的獨(dú)立研究成果均顯示，這場(chǎng)大型的研發(fā)競(jìng)賽中，硅量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)了從理論到現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵跨越：?jiǎn)伪忍亻T保真度和兩比特門保真度均在99%以上。

回顧我國量子計(jì)算的發(fā)展歷程，以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及由該校相關(guān)團(tuán)隊(duì)孵化的“本源量子”等為代表，正在形成我國硅基量子計(jì)算的生力軍。他們近期也在硅基半導(dǎo)體技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果“硅基自旋量子比特的超快相干操控”已于1月11日在線發(fā)表于《自然—通訊》。

薛瀟的下一步研究是把量子比特?cái)?shù)目做上去。“只有提升了比特?cái)?shù)，才能進(jìn)一步接近通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)際需求。”

對(duì)他而言，讓硅基兩比特門保真度從98%邁過99%的門檻，是對(duì)物理系統(tǒng)的挑戰(zhàn);而從兩比特到多比特乃至百萬量子比特級(jí)別的制備，則更多是工程工藝層面的挑戰(zhàn)。薛瀟認(rèn)為，硅基量子計(jì)算下一步的實(shí)用前景，需要更多工業(yè)企業(yè)的關(guān)注與技術(shù)投入。

如果順利，已縱橫傳統(tǒng)計(jì)算領(lǐng)域50年的硅基材料或?qū)⒂瓉硭诹孔宇I(lǐng)域的“第二春”。相對(duì)于其他量子平臺(tái)，其成熟技術(shù)的優(yōu)越性也將愈發(fā)突出。

目前，國外科技巨頭谷歌、微軟、IBM、英特爾，國內(nèi)巨頭阿里巴巴、騰訊、百度、華為等已投入巨額研發(fā)資金，對(duì)不同量子計(jì)算技術(shù)路線“押注”，力圖率先孵化出更具實(shí)用價(jià)值的量子計(jì)算機(jī)。硅基量子計(jì)算的發(fā)展，或?qū)⒆屵@一賽道再次洗牌。

從未停下探索量子的腳步

作為團(tuán)隊(duì)中唯一的華人，薛瀟在研究的實(shí)驗(yàn)層面發(fā)揮了重要作用，但過程卻非一帆風(fēng)順，甚至一度中斷了半年。他沒有放棄，而是主動(dòng)尋求“外援”。薛瀟還在線下實(shí)驗(yàn)和線上遠(yuǎn)程操控中頻頻切換，經(jīng)常是在有限的實(shí)驗(yàn)室時(shí)間里調(diào)試好設(shè)備，離開前設(shè)置一個(gè)“通宵”程序，讓實(shí)驗(yàn)不間斷進(jìn)行。

有壓力嗎?有。要干下去嗎?要。2021年4月，團(tuán)隊(duì)終于取得了實(shí)驗(yàn)成果。薛瀟認(rèn)為，導(dǎo)師的指引和代爾夫特理工大學(xué)多年建設(shè)起來的實(shí)驗(yàn)環(huán)境給了他很大支持。

薛瀟的導(dǎo)師Lieven Vandersypen是量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一，多年深耕幫助他在去年獲得了荷蘭自然科學(xué)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。他給薛瀟提供了盡可能自由的研究空間，很少用“唯成果論”給學(xué)生制造壓力。

薛瀟本科就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，大一期間出于對(duì)量子領(lǐng)域的興趣，申請(qǐng)從工程力學(xué)轉(zhuǎn)專業(yè)到物理學(xué)。那時(shí)他經(jīng)常去聽學(xué)校“大牛”的物理課，也在學(xué)校環(huán)境的浸潤(rùn)下，逐漸堅(jiān)定了走量子計(jì)算的道路。

畢業(yè)后，他在清華大學(xué)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行碩士階段的學(xué)習(xí)，對(duì)發(fā)展前景一度感到“迷茫”。為了將硅量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)繼續(xù)下去，他申請(qǐng)到荷蘭代爾夫特理工大學(xué)讀博。目前，他仍留在該校進(jìn)行博士后研究，繼續(xù)硅基量子的下一步實(shí)驗(yàn)。(實(shí)習(xí)生 周佩瀅 記者 趙廣立)

關(guān)鍵詞： 硅基量子計(jì)算 量子計(jì)算機(jī) 大型硅量子處理器 離子阱