“在過去幾年，實作兩比特門 99% 的保真度一直是該領域最重要的實驗。全球有條件進行該實驗的課題組，都在從事這方面的研究，可以說這就是一場公開的科研賽跑。換句話說，如果始終無法達到 99% 的兩比特門保真度，那麼這個系統也就沒有繼續研究的必要。”多年前選聯考志願時，薛潇曾在金融、計算機和自然科學之間徘徊過。如今，手握多篇論文的他，屬實未負當初的選擇。日前，他實作了上述“99% 的目标”。
圖 | 薛潇（右）和文章第二作者馬克西米連·羅斯（Maximilian Russ） （來源：Mateusz Madzik）
1 月 19 日，Nature封面論文三連發，且都是量子主題。而薛潇正是其中一篇論文的作者[1]，論文題為《自旋量子位跨越表面代碼門檻值的量子邏輯》（Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold）。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
他表示，此次工作解決了一個領域内長期存在的瓶頸問題：基于半導體中電子自旋的量子比特即 spin qubit，其兩比特門 （two-qubit gate）的保真度一直以來都比較低。
相比傳統計算機使用的基本邏輯機關比特，量子比特更容易受到環境噪音的影響，進而導緻計算錯誤。而要研制一台有實際應用價值的量子計算機，一個必要的技術是量子糾錯。
然而量子糾錯對保真度的要求極高，目前最有前景的糾錯技術叫做表層編碼（Surface code），它要求在執行量子計算的過程中，每一步操作包含比特初始化、單比特門、兩比特門、以及比特資訊讀取的保真度都需要高于 99%。
是以 99% 的保真度也被稱作容錯門檻。自旋量子比特的初始化、單比特門、以及讀取，都相對容易達到 99% 的保真度，其中一些甚至已逼近 99.99%。
然而在過去，僅僅隻有兩篇論文分别報道了 92% 和 98% 的兩比特門保真度[2]，不過在科研上 98% 距離 99% 其實相差很遠。
在學界，半導體自旋量子比特的研究已開展十多年。其基本的制備方式是利用微納加工，在半導體的表面制作納米尺度的金屬電極，通過施加電壓在材料内部形成一個“電勢阱”，将單個電子束縛在其中。
這樣的納米級結構被稱作量子點（quantum dot），與傳統計算機晶片所使用的半導體結構有着極高的相似度[3]。這樣的相似度使得基于半導體的量子計算備受關注，尤其是其實用化道路。
目前英特爾、比利時微電子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）、IBM 等業内巨擘，都在研究這一方向。
其中，英特爾和 IMEC 目前都已經利用先進內建電路工藝在 300mm 尺寸的晶圓上實作了大規模的器件制備。一旦這個系統被證明可行，那麼工業界就能将傳統的內建電路工藝直接應用到量子晶片上。
相比之下，其他實體系統比如離子阱、線性光學，都與現有的先進內建電路工藝不相容。至于超導量子比特，雖然可以使用類似的工藝，但其量子比特的尺寸在毫米級别，幾乎不可能将百萬量子比特內建在一個微尺度晶片上。
而由量子點定義的自旋量子比特平均尺寸在 100 納米左右，這使得其在可擴充性，以及未來與其他不同功能的晶片的內建都具有極大優勢。
至于前面所提到的“證明一個系統可行”，一個關鍵的名額就是這個系統的保真度。而在所有操作中，兩比特門的保真度最難提高，這一點對所有實體系統都是成立的。
薛潇指出，長期以來半導體自旋量子比特為數不多的宣傳點，就是有利于內建和擴充，但其兩比特門的保真度卻進展緩慢，以至于該方向的可行性曾遭受質疑。
而這次薛潇的實驗證明了單比特門和兩比特門的保真度全部都穩定地高于99.5%，直接突破了此前的限制。
曾驗證兩比特門的保真度達到92%
此前，薛潇在 2018-2019 年先後完成了一系列的矽基兩比特實驗，其中最有代表性的實驗是驗證了兩比特門的保真度達到 92%[2]。
但是當時的量子比特品質并不好，主要受限于材料性質。自然界的矽元素包含 Si-28；Si-29；Si-30 三種同位素。其中 Si-29 的原子核攜帶核自旋，會對用于編碼量子比特的電子自旋造成幹擾。
在 2019 年初，薛潇在荷蘭代爾夫特理工大學的同僚佐丹奴·斯卡普奇（Giordano Scappucci）在實驗室内，成功改進了矽襯底的性質，包含使用了同位素純化的矽材料，即去除了絕大多數的 Si-29 原子。
來自荷蘭國家應用科學研究院（TNO，Netherlands Organisation for Applied Scientific Research）的同僚諾達爾·薩姆哈拉澤（Nodar Samkharadze）制備了這塊兩比特的樣品。
這時，在導師利文·範德西彭（Lieven Vandersypen）的建議下，薛潇在 2020 年再次開始兩比特門的研究。這次加入的還有半導體自旋量子比特方面非常優秀的青年理論實體學家馬克西米連·羅斯（Maximilian Russ）亦是此次論文的第二作者。
研究中，薛潇等人從實驗和理論兩方面，對這兩個自旋量子比特進行了完整的表征和模組化，并對實驗中可能對量子計算造成錯誤的所有源頭比如樣品中的環境噪音和外部控制系統進行全面掌握。最終在 2021 年的年初，得到了穩定的實驗結果。
對量子化學和實體進行模拟，會是量子計算的“第一個成熟應用”
目前普遍認為，在近些年内，對量子化學和實體進行模拟，會是量子計算的“第一個成熟應用”。
本次論文所展示的最後一個實驗，是薛潇和團隊利用高保真度的量子門操作，對氫分子的基态能量譜進行了量子模拟。
圖 | 對氫分子的基态能量譜進行了量子模拟（來源：Nature）
此外，薛潇的同僚早先發表在Nature上的另一篇論文 [4]，展示了觀測到 Nagaoka 鐵磁态的成果。這是一種由日本理論實體學家長岡（Nagaoka）所提出的實體現象，但是在自然界中目前無法觀測。
而薛潇所在實驗室，在人工制備的量子點陣列中成功觀測到了這個現象。
而随着量子比特數目的增加，此次成果有望在未來對氣候進行模拟，對城市交通進行優化，以及快速破譯密碼等應用都可以實作。不過這些預計很難在未來的5-10年内實作。
說到這裡他補充稱：“說個題外話，我個人倒是很好奇是否可以在短期内把量子計算應用到挖礦和提高雲端遊戲的體驗等方面。”
他還表示：“此次工作最終可以完成，特别要感謝文章第二作者馬克西米連·羅斯以及第三作者諾達爾·薩姆哈拉澤。前者在三年前以理論實體學博士後的身份加入我們實驗室，主要負責對實驗進行理論支援。理論研究者和實驗研究者其實存在很大代溝，這在一開始也給雙方合作造成一些困難。但是我們一直積極主動地向對方學習。到了後期反倒默契十足。薩姆哈拉澤目前在 TNO 任研究員。他主要負責 Quantum Inspire 的項目[5]。該項目旨在将自旋量子比特放在雲端上，讓普通使用者可通過網際網路直接操作。”
起初，薩姆哈拉澤制備該樣品是要用于 Quantum Inspire，但他們團隊當初沒有足夠有經驗的人來進行實驗調試。于是，他和薛潇開始合作，并向後者提供了樣品，薛潇則向他們回報調試結果和經驗。最終除了合作完成此次論文，也如期将另一塊幾乎一樣的量子晶片放上了雲端。
此外，本次論文研究中所使用的晶片，也被用于早先一篇論文中，那篇論文的題為《基于 CMOS 的矽量子電路低溫控制》（CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits）[6]，并于 2021 年 5 月發表。在那篇論文中，薛潇等人初步驗證了将傳統的控制/讀取的儀器和量子比特，全部內建起來的可能性。
對于後續計劃，他表示，99% 的保真度是量子糾錯所要求的，是以下一步自然是進行量子糾錯的實驗。首先需要足夠數目的量子比特；其次需要在完成高保真度單/雙量子比特門的同時，做到高保真度的初始化和讀取；最後需要一個快速的回報系統，根據實驗中所出現的錯誤，實時進行糾正。
深受中國科大量子資訊研究的影響
據介紹，2014 年，薛潇大學畢業于中國科學技術大學實體系。他說：“科大一直以來都是全國最好的量子資訊研究‘寶地’，也是全球量子資訊研究實力最強的科研機關之一。早在聯考結束糾結于報志願時，我在科大網上論壇看到了量子計算的讨論。當時雖然幾乎完全不懂，但潛意識裡感覺自己可能會對其産生興趣，而其實我原本和父母讨論的是去學習經濟或計算機等比較賺錢的專業方向。”
他回憶稱，在科大讀書時耳濡目染受到了很多影響。那時，科大已經在多光子糾纏、百公裡級量子密鑰分發等做出突破。量子衛星（墨子号）的項目也已經開啟。
當初的授課老師很多都是直接從事量子資訊研究的科學家。課餘時間，他聽過多次“GDP”三位院士 （郭光燦、杜江峰、潘建偉）的學術報告，也參觀過他們的實驗室。
在大二時，他就決定要從事量子研究，之後曾在“九章”量子計算機實驗帶頭人之一陸朝陽教授的實驗室中“打過醬油”。
大學畢業後，薛潇曾在清華大學進行研究所學生階段的學習，直至 2016 年決定出國。2017 年，他加入荷蘭代爾夫特理工大學利文·範德西彭教授的實驗室攻讀博士。
2020 年，其所在團隊與英特爾公司合作，利用一個低溫控制晶片實作了自旋量子比特的操作。這是通向內建量子晶片的一個裡程碑實驗。所謂內建量子晶片，就是将量子比特與傳統的電學控制及讀取系統，內建在同一個晶片上。文章最終于 2021 發表在Nature上[6]。
現在，薛潇已完成博士畢業論文，并且繼續在利文·範德西彭實驗室從事博後研究。對于自己目前的導師，他十分佩服并介紹稱：“利文·範德西彭在斯坦福讀博期間，利用液态分子的核磁共振實驗完成了全世界首個舒爾算法的實驗驗證[7]。”該算法可快速将一個整數分解成兩個質數的乘積，這是很多現代密碼的數學基礎。後來利文·範德西彭來到代爾夫特理工大學，建立了半導體自旋量子比特的實驗室，并完成了多數在早期奠定自旋量子比特實驗基礎的工作，他也因為在半導體自旋量子計算中的貢獻，于 2021 年獲得了荷蘭自然科學的最高獎 Spinoza Prize。
能有機會先後師從國内外量子巨擘，是薛潇的幸運，也是他努力的結果。這位來自山東省淄博市的 90 後青年，也正在考慮國内教職職位，他表示：“回國一直都是我衆多選項中排在最前列的。當然這也取決于機會。”
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參考：
1、X.Xueet al., Nature601, 343 - 347 (2022)
2、X.Xueet al.,PRX9,021011 (2019)
3、Lieven Vandersypen, Mark Eriksson,Physics Today72, 8, 38 (2019)
4、J.P.Dehollain et al.,Nature579, 528–533 (2020)
5、https://www.quantum-inspire.com/
6、X.Xue et al.,Nature593, 205–210 (2021)
7、L.M.K.Vandersypen et al.,Nature414, 883–887 (2001)