作者 | 周佩滢
1月19日，Nature一下刊登了三篇關于矽雙量子計算重大突破的論文，并且聯合作為當期封面，甚是罕見。
研究人員首次完成了矽雙量子計算保真度超99%的突破，也就是說，每100次操作發生的錯誤少于一次。至關重要的是，所有三項研究都超過了這個關鍵門檻值。它使基于矽量子位的量子計算機成為一個可行的命題，實際制造和應用的大型矽量子處理器的“最後一公裡”正在被打通。
本期Nature封面
三篇論文分别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）之間的合作團隊QuTech、日本理化學研究所（RIKEN）和新南威爾士大學團隊（UNSW）。其中荷蘭QuTech團隊中有一位承擔一作的中國博士薛潇，他在第一時間接受了《中國科學報》的采訪。
論文網址：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00047-0
“人們質疑什麼，我們就去攻克什麼”
由于起步晚，半導體量子（矽量子）大大落後于離子阱和超導材料等其他量子計算技術，但是基于矽材料的量子晶片在開發量子計算機方面更有優勢。
一是半導體量子點的制備可與現有半導體晶片工藝相容，在成熟工藝支撐下，後續技術産業化的可行性大大提高；二是相比其他路線所使用的材料，矽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充性，量子點的原子性質可人為調控，比一般的量子體系更容易內建。
盡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幹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于打破了這種質疑，”薛潇說，“證明矽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：量子計算實作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。而要實作量子糾錯，理論上就必須保證計算中每一步的保真度都高于99%。如能破解，就是巨大成功。
其中，雙量子比特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“資格準入”，薛潇所在團隊從提純材料減少核自旋影響、實作雙量子比特間互相作用的精準控制切入。
“人們質疑什麼，我們就去攻克什麼。”薛潇說。
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镓轉向矽，從自然界中直接提取的矽有矽28/29/30三種穩定的同位素，其中矽28 和矽30是沒有核自旋的。矽29雖然有核自旋，但含量僅占5%，這就實作了材料上的一大跨越。
但這樣似乎還是不夠，怎麼進一步減少核自旋的影響呢？
薛潇所在團隊想到了提純——将自然界中的矽29剔除，更新成以核自旋為0的矽28為主的矽基材料。
相幹時間是量子計算機的關鍵名額，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，同時也是實作高保真度量子操作的前提條件。薛潇所在團隊最終完成了相幹時間的數量級的提升：從砷化镓到自然矽，相幹時間提升了兩個數量級；從自然矽到純化矽，相幹時間又提升了兩個數量級，與十幾年前相比，整個量子相幹時間提升了4個數量級。
至此，矽基量子跟其他路線的量子計算的相幹時間數量級終于追平。
在攻克材料關卡後，另一個難點是控制兩個量子比特間互相作用。電子自旋的向上和向下組成的系統可作為一個量子比特，根據自旋和電荷之間的關聯，可以通過電子開關門對電子自旋進行控制。
薛潇所在的荷蘭團隊使用由矽和矽鍺合金堆棧形成的材料創造了一個雙量子位系統，不斷探索電子的互相作用、耦合的強度以及環境參數，實作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态，進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？
荷蘭團隊和澳洲團隊使用了難度較大的門集層析成像門集斷層掃描[1] （GST）驗證方法，日本—新南威爾士團隊采用了随機校準（RB）驗證方法。
前者可以在檢測保真度的基礎上，完整标定實驗中系統的誤差之處；後者則除了告訴你錯誤率之外，不會标定出具體錯出在哪。“這也是我們采用門集斷層掃描的重要原因，”薛潇說，“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，矽量子計算實作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矽/矽鍺合金量子點的電子自旋，實作了99.87%的單量子位保真度和99.65%的雙量子位保真度；
- 日本RIKEN團隊同樣使用了矽/矽鍺合金量子點的雙電子系統，實作了99.84%的單量子位保真度和99.51%的雙量子位保真度；
- 澳洲新南威爾士大學團隊則通過離子注入矽，在電子和兩個磷原子組成的三兩字比特系統上，實作了99.95%的單量子位保真度和99.37%的雙量子位保真度。
薛潇的下一步研究，便是把量子比特數目做上去。“隻有提升了比特數，才能再進一步接近通用量子計算機的實際需求。”
對他而言，讓矽雙量子保真度從98%邁過99%的門檻，是對實體系統的挑戰；而從雙量子到多量子、乃至百萬量子級别的制備，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年的矽基材料或将迎來它在量子領域的“第二春”，相對于其他量子平台，成熟技術優越性也将愈發突出。
量子計算領域的賽道或将再次洗牌。國外科技巨頭英特爾、微軟、IBM、谷歌，國内巨頭阿裡巴巴、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将實作，紛紛投入巨額研發資金，對不同的量子計算技術押下賭注，争先孵化出更有實用價值的量子計算機，赢得這場世紀競賽。
“從未停止探索量子領域的腳步”
作為論文一作，薛潇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矽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，但意義就沒有這次的大。”
作為團隊中唯一的華人，薛潇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月薛潇開始進行這項選題，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，不得不于2020年3月告一段落。
但他沒有放棄，主動聯系了另一課題組專攻理論實體的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，在荷蘭反反複複的“lockdown”中，薛潇線上下實驗和線上遠端操控中頻頻切換，經常是在有限的實驗室時間裡調試好裝置，離開前設定一個“通宵運轉”的程式，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，團隊終于得出了實驗成果。薛潇認為，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援。
薛潇的導師Lieven是量子計算領域的領軍人物之一，2000年他作為第一作者在Nature發表肖爾算法論文，去年獲得了荷蘭自然科學的最高獎項。他給薛潇提供了盡可能自由的研究空間，很少用“唯成果論”給他制造壓力。
薛潇大學就讀于中國科學技術大學，在大一期間，他出于對量子領域的興趣，從工程力學申請轉專業到實體系。那時候他經常去聽學校“大牛”的實體課，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。為了将矽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，推進矽量子的下一步實驗。
薛潇囑咐，不要對他的工作進行過度宣傳，事實上，對于年輕的博士來說，無需他言，研究成果本身就是最大的代言。