硅基量子计算冲出迷雾

　　实习生 周佩滢 记者 赵广立
　　近日，《自然》刊登了3篇关于硅基量子计算重大突破的论文，并且联合作为当期封面，甚是罕见。
　　研究人员首次完成了硅基量子计算两比特门保真度超99%的突破，也就是说，每100次操作发生的错误少于一次。至关重要的是，3项研究都超过了这个关键阈值——这使基于硅量子位的量子计算机成为一个可行的命题，实际制造和应用大型硅量子处理器的＂最后一公里＂正在被打通。
　　3篇论文分别来自荷兰代尔夫特理工大学与荷兰应用科学研究组织的合作团队、日本理化学研究所和新南威尔士大学团队。在荷兰应用科学研究组织的团队中，华人博士薛潇为论文一作，《中国科学报》就此对他进行了专访。
　　拿到＂资格准入＂
　　与离子阱和超导材料等其他实现量子计算的路线相比，半导体量子（硅基量子）虽然拥有与现有半导体集成芯片工艺兼容、稳定性更好、可扩展性更强等优势，但由于研究起步慢、面临退相干以及保真度不足等技术难题，也受到了不少质疑。
　　＂我们的实验结果相当于打破了这种质疑。＂薛潇说，＂证明硅基量子也可以做到和其他平台一样好。＂
　　造出一台实用的量子计算机，量子纠错是必备的技术。而要实现量子纠错，理论上必须保证计算中单比特门和两比特门保真度都高于99%。其中，两比特门的保真度一直以来是很大的难点。
　　为拿到这一鲤鱼跃龙门式的保真度＂资格准入＂，薛潇所在团队从提纯材料减少核自旋影响、实现双量子比特间相互作用的精准控制切入。＂人们质疑什么，我们就去攻克什么。＂薛潇说。
　　大约从2010年开始，为了减少核自旋影响，大量实验室开始从砷化镓转向硅。从自然界中直接提取的硅有硅28/29/30三种稳定的同位素，其中硅28和硅30是没有核自旋的。硅29虽然有核自旋，但含量仅占5%。纵然如此，似乎还是不够，怎么进一步减少核自旋的影响呢？
　　薛潇所在团队想到了提纯——将自然界中的硅29剔除，升级成以核自旋为0的硅28为主的硅基材料。据此，他们最终完成了相干时间的数量级的提升：从砷化镓到自然硅，相干时间提升了两个数量级；从自然硅到纯化硅，相干时间又提升了两个数量级。这使得硅基量子实现了对其他路线量子计算相干时间的赶超。
　　在攻克材料关卡后，另一个难点是控制两个量子比特间相互作用。薛潇所在团队使用由硅和硅锗合金二维电子气形成的材料，通过门电极创造了一个两比特门系统，不断探索电子的相互作用、耦合强度以及环境参数，实现了操作上的精准控制。
　　对于实验结果，薛潇所在团队使用门集层析成像技术进行验证。该技术可以在检测保真度的基础上，完整标定实验中系统的误差。＂知道了每次的误差在哪儿，才能去进一步矫正它们。＂薛潇说。
　　下一步，＂从双到多＂
　　3篇论文的独立研究成果均显示，这场大型的研发竞赛中，硅量子计算实现了从理论到现实的关键跨越：单比特门保真度和两比特门保真度均在99%以上。
　　回顾我国量子计算的发展历程，以中国科学技术大学及由该校相关团队孵化的＂本源量子＂等为代表，正在形成我国硅基量子计算的生力军。他们近期也在硅基半导体技术方面取得重要进展，相关研究成果＂硅基自旋量子比特的超快相干操控＂已于1月11日在线发表于《自然—通讯》。
　　薛潇的下一步研究是把量子比特数目做上去。＂只有提升了比特数，才能进一步接近通用量子计算机的实际需求。＂
　　对他而言，让硅基两比特门保真度从98%迈过99%的门槛，是对物理系统的挑战；而从两比特到多比特乃至百万量子比特级别的制备，则更多是工程工艺层面的挑战。薛潇认为，硅基量子计算下一步的实用前景，需要更多工业企业的关注与技术投入。
　　如果顺利，已纵横传统计算领域50年的硅基材料或将迎来它在量子领域的＂第二春＂。相对于其他量子平台，其成熟技术的优越性也将愈发突出。
　　目前，国外科技巨头谷歌、微软、IBM、英特尔，国内巨头阿里巴巴、腾讯、百度、华为等已投入巨额研发资金，对不同量子计算技术路线＂押注＂，力图率先孵化出更具实用价值的量子计算机。硅基量子计算的发展，或将让这一赛道再次洗牌。
　　从未停下探索量子的脚步
　　作为团队中唯一的华人，薛潇在研究的实验层面发挥了重要作用，但过程却非一帆风顺，甚至一度中断了半年。他没有放弃，而是主动寻求＂外援＂。薛潇还在线下实验和线上远程操控中频频切换，经常是在有限的实验室时间里调试好设备，离开前设置一个＂通宵＂程序，让实验不间断进行。
　　有压力吗？有。要干下去吗？要。2021年4月，团队终于取得了实验成果。薛潇认为，导师的指引和代尔夫特理工大学多年建设起来的实验环境给了他很大支持。
　　薛潇的导师Lieven Vandersypen是量子计算领域的领军人物之一，多年深耕帮助他在去年获得了荷兰自然科学的最高奖项。他给薛潇提供了尽可能自由的研究空间，很少用＂唯成果论＂给学生制造压力。
　　薛潇本科就读于中国科学技术大学，大一期间出于对量子领域的兴趣，申请从工程力学转专业到物理学。那时他经常去听学校＂大牛＂的物理课，也在学校环境的浸润下，逐渐坚定了走量子计算的道路。
　　毕业后，他在清华大学半导体实验室进行硕士阶段的学习，对发展前景一度感到＂迷茫＂。为了将硅量子计算的实验继续下去，他申请到荷兰代尔夫特理工大学读博。目前，他仍留在该校进行博士后研究，继续硅基量子的下一步实验。