突破！Nature發佈量子計算重磅論文 | 專訪華人博士生一作_風聞

作者 | 周佩瀅 趙廣立

1月19日，Nature一下刊登了三篇關於硅基量子計算重大突破的論文，並且聯合作為當期封面，甚是罕見。

研究人員首次完成了硅基量子計算兩比特門保真度超99%的突破，也就是説，每100次操作發生的錯誤少於一次。至關重要的是，所有三項研究都超過了這個關鍵閾值。它使基於硅量子位的量子計算機成為一個可行的命題，實際製造和應用的大型硅量子處理器的“最後一公里”正在被打通。

三篇論文分別來自荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）與荷蘭應用科學研究組織（TNO）的合作團隊QuTech、日本理化學研究所（RIKEN）和新南威爾士大學團隊（UNSW）。其中在荷蘭QuTech團隊中承擔一作的是中國博士薛瀟，他在第一時間接受了《中國科學報》的採訪。

“人們質疑什麼，我們就去攻克什麼”

Nature最新封面

由於起步晚，半導體量子（硅基量子）大大落後於離子阱和超導材料等其他量子計算技術，但是基於硅材料的量子芯片在開發量子計算機方面更有優勢。

一是半導體量子點的製備可與現有半導體集成芯片工藝兼容，在成熟工藝支撐下，後續技術產業化的可行性大大提高；二是相比其他路線所使用的材料，硅量子比特的穩定性更好；三是半導體量子點體系具有良好的可擴展性，量子點的自旋性質可人為調控，比一般的量子體系更容易集成。

儘管材料的優勢很明顯，但技術挑戰同樣顯著：受周圍核自旋影響嚴重，半導體量子比特面臨退相干以及保真度不足兩大難題。

起跑慢，技術受限，在這場世紀競賽中，半導體雖是最具潛力的量子賽道，卻也受到了不少質疑。

“我們的實驗結果相當於打破了這種質疑，”薛瀟説，“證明硅基量子也可以做到和其他平台的一樣好！”

99%的保真度其實是一個門檻：量子計算實現通用測算離不開量子糾錯，要造出一台真正實用的量子計算機，量子糾錯是必備的技術。而要實現量子糾錯，理論上就必須保證計算中單比特門和兩比特門保真度都高於99%。如能破解，就是巨大成功。

其中，兩比特門的保真度一直以來都是很大的難點。為了攻克這一鯉魚躍龍門式的保真度“資格准入”，薛瀟所在團隊從提純材料減少核自旋影響、實現雙量子比特間相互作用的精準控制切入。

“人們質疑什麼，我們就去攻克什麼。”薛瀟説。

約從2010年開始，為了減少核自旋影響，大量實驗室開始從砷化鎵轉向硅，從自然界中直接提取的硅有硅28/29/30三種穩定的同位素，其中硅28和硅30是沒有核自旋的。硅29雖然有核自旋，但含量僅佔5%。縱然如此，似乎還是不夠，怎麼進一步減少核自旋的影響呢？

薛瀟所在團隊想到了提純——將自然界中的硅29剔除，升級成以核自旋為0的硅28為主的硅基材料。

相干時間是量子計算機的關鍵指標，它直接限制了量子計算機可以連續進行量子操作的最大次數，同時也是實現高保真度量子操作的前提條件。薛瀟所在團隊最終完成了相干時間的數量級的提升：從砷化鎵到自然硅，相干時間提升了兩個數量級；從自然硅到純化硅，相干時間又提升了兩個數量級，與十幾年前相比，整個量子相干時間提升了4個數量級。

至此，硅基量子跟其他路線的量子計算的相干時間數量級終於實現了趕超。

在攻克材料關卡後，另一個難點是控制兩個量子比特間相互作用。電子自旋的向上和向下的兩能級系統可作為一個量子比特，根據自旋和電荷之間的關聯，可以通過電學開關門對電子自旋進行控制。

薛瀟所在的荷蘭團隊使用由硅和硅鍺合金二維電子氣形成的材料，通過門電極創造了一個兩比特門系統，不斷探索電子的相互作用、耦合的強度以及環境參數，實現了操作上的精準控制。

他們的方法是在紅藍電極LP和RP上配置電壓，各吸引一個電子，通過調控電壓來控制電子的狀態，從而給進一步提高保真度提供了方法基礎。

那麼，如何對實驗結果進行驗證呢？

荷蘭團隊和澳大利亞團隊使用了難度較大的門集層析成像（GST）驗證方法，日本—新南威爾士團隊採用了隨機校準（RB）驗證方法。

前者可以在檢測保真度的基礎上，完整標定實驗中系統的誤差之處；後者則除了告訴你錯誤率之外，不會標定出具體錯出在哪。“這也是我們採用門集斷層掃描的重要原因，”薛瀟説，“知道了每次的誤差在哪，才能去進一步矯正它們。”

下一步，“從雙到多”

三篇論文的獨立研究成果都顯示，這場大型的研發競賽中，硅量子計算實現了從理論到現實的關鍵跨越：

荷蘭代爾夫特理工大學團隊通過使用硅/硅鍺合金量子點的電子自旋，實現了99.87%的單比特門保真度和99.65%的兩比特門保真度；

日本RIKEN團隊同樣使用了硅/硅鍺合金量子點的雙電子系統，實現了99.84%的單比特門保真度和99.51%的兩比特門保真度；

澳大利亞新南威爾士大學團隊則通過離子注入硅，在電子和兩個磷原子組成的三量子比特系統上，實現了99.95%的單比特門保真度和99.37%的兩比特門保真度。

薛瀟的下一步研究，便是把量子比特數目做上去。“只有提升了比特數，才能再進一步接近通用量子計算機的實際需求。”

對他而言，讓硅基兩比特門保真度從98%邁過99%的門檻，是對物理系統的挑戰；而從兩比特到多比特、乃至百萬量子比特級別的製備，實驗之外則更多是工程工藝層面的挑戰。

在實驗室走通了理論到現實的一步，下一步的實用前景還需要更多工業企業的關注與技術投入。到了這一階段，已縱橫傳統計算領域50年的硅基材料或將迎來它在量子領域的“第二春”，相對於其他量子平台，成熟技術優越性也將愈發突出。

量子計算領域的賽道或將再次洗牌。國外科技巨頭英特爾、微軟、IBM、谷歌，國內巨頭阿里巴巴、騰訊、百度、華為等的行動都表明：量子為電腦運算帶來指數級的巨幅加速即將實現，紛紛投入鉅額研發資金，對不同的量子計算技術押下賭注，爭先孵化出更有實用價值的量子計算機，贏得這場世紀競賽。

值得一提的是，中國科學技術大學及由該校相關團隊孵化的“本源量子”是我國硅基量子計算的生力軍，他們近期也在硅基半導體技術方面取得重要進展，相關研究成果“硅基自旋量子比特的超快相干操控”（Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot）已於1月11日在線發表在《自然⋅通訊》上。

“從未停止探索量子領域的腳步”

作為論文一作，薛瀟更多還是聚焦在論文本身對行業的貢獻上。

“我很高興，但更欣慰的是我們這篇論文能給硅基量子領域帶來的實質性進展，去年5月我也發了一篇一作Nature，驗證了低温集成電路對硅基芯片的高保真度控制。”

薛瀟

作為團隊中唯一的華人，薛瀟在研究的實驗層面發揮了重要作用，但是過程卻非一帆風順，甚至一度中斷了半年。

2019年9月薛瀟開始進行這項選題，第一階段的實驗推進過程中一度遭遇了參數調整方面的瓶頸，再加上歐洲疫情的嚴峻複雜，不得不於2020年3月告一段落。

但他沒有放棄，主動聯繫了另一課題組專攻理論物理的Maximilian Russ，在導師Lieven Vandersypen（伊文·萬德斯芬）的協調下來到統一課題組進行研究，提供了理論模型上的幫助。

實驗在2020年9月重新開始，在荷蘭反反覆覆的“lockdown”中，薛瀟在線下實驗和線上遠程操控中頻頻切換，經常是在有限的實驗室時間裏調試好設備，離開前設置一個“通宵運轉”的程序，來讓實驗不間斷地進行操作。

有壓力嗎？有。要幹下去嗎？要。

2021年4月，團隊終於得出了實驗成果。薛瀟認為，導師的指引和代爾夫特理工大學多年建設起來的實驗環境給了他很大支持。

薛瀟的導師Lieven是量子計算領域的領軍人物之一，也是荷蘭團隊的負責人兼論文的通訊作者，2000年他就作為第一作者在Nature發表了肖爾算法論文，持續多年的深耕，也使他在去年獲得了荷蘭自然科學的最高獎項。他給薛瀟提供了儘可能自由的研究空間，很少用“唯成果論”給他製造壓力。

薛瀟本科就讀於中國科學技術大學，在大一期間，他出於對量子領域的興趣，從工程力學申請轉專業到物理系。那時候他經常去聽學校“大牛”的物理課，也在中科大這種尖端技術環境的浸潤下，逐漸堅定從事量子計算的道路。

畢業後，他在清華大學半導體實驗室進行碩士階段的學習，但在技術受限後實驗室關停，前景一度迷茫。為了將硅量子計算的實驗繼續下去，他申請到荷蘭代爾夫特理工大學讀博，目前留在代爾夫特進行博士後研究，推進硅基量子的下一步實驗。

薛瀟囑咐，不要對他的工作進行過度宣傳，事實上，對於年輕的博士來説，無需他言，研究成果本身就是最大的代言。

本文經中國科學技術大學教授郭國平、南方科技大學量子科學與工程研究院研究員賀煜審閲。

摘自《科學網》