近日，《自然》刊登了3篇關于硅基量子計算重大突破的論文，并且聯(lián)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，也就是說，每100次操作發(fā)生的錯誤少于一次。至關重要的是，3項研究都超過了這個關鍵閾值——這使基于硅量子位的量子計算機成為一個可行的命題，實際制造和應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與荷蘭應用科學研究組織的合作團隊、日本理化學研究所和新南威爾士大學團隊。在荷蘭應用科學研究組織的團隊中，華人博士薛瀟為論文一作，《中國科學報》就此對他進行了專訪。

拿到“資格準入”

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

“我們的實驗結果相當于打破了這種質(zhì)疑。”薛瀟說，“證明硅基量子也可以做到和其他平臺一樣好。”

造出一臺實用的量子計算機，量子糾錯是必備的技術。而要實現(xiàn)量子糾錯，理論上必須保證計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。

為拿到這一鯉魚躍龍門式的保真度“資格準入”，薛瀟所在團隊從提純材料減少核自旋影響、實現(xiàn)雙量子比特間相互作用的精準控制切入。“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，大量實驗室開始從砷化鎵轉(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，但含量僅占5%?？v然如此，似乎還是不夠，怎么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。據(jù)此，他們最終完成了相干時間的數(shù)量級的提升：從砷化鎵到自然硅，相干時間提升了兩個數(shù)量級;從自然硅到純化硅，相干時間又提升了兩個數(shù)量級。這使得硅基量子實現(xiàn)了對其他路線量子計算相干時間的趕超。

在攻克材料關卡后，另一個難點是控制兩個量子比特間相互作用。薛瀟所在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(chuàng)造了一個兩比特門系統(tǒng)，不斷探索電子的相互作用、耦合強度以及環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了操作上的精準控制。

對于實驗結果，薛瀟所在團隊使用門集層析成像技術進行驗證。該技術可以在檢測保真度的基礎上，完整標定實驗中系統(tǒng)的誤差。“知道了每次的誤差在哪兒，才能去進一步矯正它們。”薛瀟說。

下一步，“從雙到多”

3篇論文的獨立研究成果均顯示，這場大型的研發(fā)競賽中，硅量子計算實現(xiàn)了從理論到現(xiàn)實的關鍵跨越：單比特門保真度和兩比特門保真度均在99%以上。

回顧我國量子計算的發(fā)展歷程，以中國科學技術大學及由該校相關團隊孵化的“本源量子”等為代表，正在形成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”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數(shù)目做上去。“只有提升了比特數(shù)，才能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(tǒng)的挑戰(zhàn);而從兩比特到多比特乃至百萬量子比特級別的制備，則更多是工程工藝層面的挑戰(zhàn)。薛瀟認為，硅基量子計算下一步的實用前景，需要更多工業(yè)企業(yè)的關注與技術投入。

如果順利，已縱橫傳統(tǒng)計算領域50年的硅基材料或?qū)⒂瓉硭诹孔宇I域的“第二春”。相對于其他量子平臺，其成熟技術的優(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，對不同量子計算技術路線“押注”，力圖率先孵化出更具實用價值的量子計算機。硅基量子計算的發(fā)展，或?qū)⒆屵@一賽道再次洗牌。

從未停下探索量子的腳步

作為團隊中唯一的華人，薛瀟在研究的實驗層面發(fā)揮了重要作用，但過程卻非一帆風順，甚至一度中斷了半年。他沒有放棄，而是主動尋求“外援”。薛瀟還在線下實驗和線上遠程操控中頻頻切換，經(jīng)常是在有限的實驗室時間里調(diào)試好設備，離開前設置一個“通宵”程序，讓實驗不間斷進行。

有壓力嗎?有。要干下去嗎?要。2021年4月，團隊終于取得了實驗成果。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(huán)境給了他很大支持。

薛瀟的導師Lieven Vandersypen是量子計算領域的領軍人物之一，多年深耕幫助他在去年獲得了荷蘭自然科學的最高獎項。他給薛瀟提供了盡可能自由的研究空間，很少用“唯成果論”給學生制造壓力。

薛瀟本科就讀于中國科學技術大學，大一期間出于對量子領域的興趣，申請從工程力學轉(zhuǎn)專業(yè)到物理學。那時他經(jīng)常去聽學校“大牛”的物理課，也在學校環(huán)境的浸潤下，逐漸堅定了走量子計算的道路。

畢業(yè)后，他在清華大學半導體實驗室進行碩士階段的學習，對發(fā)展前景一度感到“迷茫”。為了將硅量子計算的實驗繼續(xù)下去，他申請到荷蘭代爾夫特理工大學讀博。目前，他仍留在該校進行博士后研究，繼續(xù)硅基量子的下一步實驗。(實習生 周佩瀅 記者 趙廣立)

關鍵詞： 硅基量子計算 量子計算機 大型硅量子處理器 離子阱