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登Nature封面 90后中科大校友实现硅量子计算99%保真度

2022-02-07 17:53     来源:加拿大家园     硅元素 核技术
“在过去几年,实现两比特门 99%的保真度一直是该领域最重要的实验。全球有条件进行该实验的课题组,都在从事这方面的研究,可以说这就是一场公开的科研赛跑。换句话说,如果始终无法达到99%的两比特门保真度,那么这个系统也就没有继续研究的必要。”多年前选高考志愿时,薛潇曾在金融、计算机和自然科学之间徘徊过。如今,手握多篇论文的他,属实未负当初的选择。日前,他实现了上述“99%的目标”。
图 | 薛潇(右)和文章第二作者马克西米连·罗斯(Maximilian Russ) (来源:Mateusz Madzik)

1 月 19日,Nature封面论文三连发,且都是量子主题。而薛潇正是其中一篇论文的作者[1],论文题为《自旋量子位跨越表面代码阈值的量子逻辑》(Quantumlogic with spin qubits crossing the surface code threshold)。

图 | 相关论文(来源:Nature)

 
他表示,此次工作解决了一个领域内长期存在的瓶颈问题:基于半导体中电子自旋的量子比特即 spin qubit,其两比特门(two-qubit gate)的保真度一直以来都比较低。相比传统计算机使用的基本逻辑单位比特,量子比特更容易受到环境噪音的影响,从而导致计算错误。而要研制一台有实际应用价值的量子计算机,一个必要的技术是量子纠错。然而量子纠错对保真度的要求极高,目前最有前景的纠错技术叫做表层编码(Surfacecode),它要求在执行量子计算的过程中,每一步操作包含比特初始化、单比特门、两比特门、以及比特信息读取的保真度都需要高于99%。因此 99% 的保真度也被称作容错门槛。自旋量子比特的初始化、单比特门、以及读取,都相对容易达到 99% 的保真度,其中一些甚至已逼近99.99%。然而在过去,仅仅只有两篇论文分别报道了 92% 和 98% 的两比特门保真度[2],不过在科研上 98% 距离 99%其实相差很远。在学界,半导体自旋量子比特的研究已开展十多年。其基本的制备方式是利用微纳加工,在半导体的表面制作纳米尺度的金属电极,通过施加电压在材料内部形成一个“电势阱”,将单个电子束缚在其中。这样的纳米级结构被称作量子点(quantumdot),与传统计算机芯片所使用的晶体管结构有着极高的相似度[3]。这样的相似度使得基于半导体的量子计算备受关注,尤其是其实用化道路。目前英特尔、比利时微电子研究中心(Interuniversity Microelectronics Centre,IMEC)、IBM等业内巨擘,都在研究这一方向。其中,英特尔和 IMEC 目前都已经利用先进集成电路工艺在 300mm尺寸的晶圆上实现了大规模的器件制备。一旦这个系统被证明可行,那么工业界就能将传统的集成电路工艺直接应用到量子芯片上。相比之下,其他物理系统比如离子阱、线性光学,都与现有的先进集成电路工艺不兼容。至于超导量子比特,虽然可以使用类似的工艺,但其量子比特的尺寸在毫米级别,几乎不可能将百万量子比特集成在一个微尺度芯片上。而由量子点定义的自旋量子比特平均尺寸在 100纳米左右,这使得其在可扩展性,以及未来与其他不同功能的芯片的集成都具有极大优势。至于前面所提到的“证明一个系统可行”,一个关键的指标就是这个系统的保真度。而在所有操作中,两比特门的保真度最难提高,这一点对所有物理系统都是成立的。薛潇指出,长期以来半导体自旋量子比特为数不多的宣传点,就是有利于集成和扩展,但其两比特门的保真度却进展缓慢,以至于该方向的可行性曾遭受质疑。而这次薛潇的实验证明了单比特门和两比特门的保真度全部都稳定地高于99.5%,直接突破了此前的限制。曾验证两比特门的保真度达到92%此前,薛潇在 2018-2019 年先后完成了一系列的硅基两比特实验,其中最有代表性的实验是验证了两比特门的保真度达到92%[2]。但是当时的量子比特质量并不好,主要受限于材料性质。自然界的硅元素包含 Si-28;Si-29;Si-30 三种同位素。其中 Si-29的原子核携带核自旋,会对用于编码量子比特的电子自旋造成干扰。在 2019 年初,薛潇在荷兰代尔夫特理工大学的同事佐丹奴·斯卡普奇(GiordanoScappucci)在实验室内,成功改进了硅衬底的性质,包含使用了同位素纯化的硅材料,即去除了绝大多数的 Si-29 原子。来自荷兰国家应用科学研究院(TNO,Netherlands Organisation for Applied ScientificResearch)的同事诺达尔·萨姆哈拉泽(Nodar Samkharadze)制备了这块两比特的样品。这时,在导师利文·范德西彭(Lieven Vandersypen)的建议下,薛潇在 2020年再次开始两比特门的研究。这次加入的还有半导体自旋量子比特方面非常优秀的青年理论物理学家马克西米连·罗斯(MaximilianRuss)亦是此次论文的第二作者。研究中,薛潇等人从实验和理论两方面,对这两个自旋量子比特进行了完整的表征和建模,并对实验中可能对量子计算造成错误的所有源头比如样品中的环境噪音和外部控制系统进行全面掌握。最终在2021 年的年初,得到了稳定的实验结果。对量子化学和物理进行模拟,会是量子计算的“第一个成熟应用”目前普遍认为,在近些年内,对量子化学和物理进行模拟,会是量子计算的“第一个成熟应用”。本次论文所展示的最后一个实验,是薛潇和团队利用高保真度的量子门操作,对氢分子的基态能量谱进行了量子模拟。
图 | 对氢分子的基态能量谱进行了量子模拟(来源:Nature)

此外,薛潇的同事早先发表在Nature上的另一篇论文 [4],展示了观测到 Nagaoka铁磁态的成果。这是一种由日本理论物理学家长冈(Nagaoka)所提出的物理现象,但是在自然界中目前无法观测。而薛潇所在实验室,在人工制备的量子点阵列中成功观测到了这个现象。而随着量子比特数目的增加,此次成果有望在未来对气候进行模拟,对城市交通进行优化,以及快速破译密码等应用都可以实现。不过这些预计很难在未来的5-10年内实现。说到这里他补充称:“说个题外话,我个人倒是很好奇是否可以在短期内把量子计算应用到挖矿和提高云端游戏的体验等方面。”他还表示:“此次工作最终可以完成,特别要感谢文章第二作者马克西米连·罗斯以及第三作者诺达尔·萨姆哈拉泽。前者在三年前以理论物理学博士后的身份加入我们实验室,主要负责对实验进行理论支持。理论研究者和实验研究者其实存在很大代沟,这在一开始也给双方合作造成一些困难。但是我们一直积极主动地向对方学习。到了后期反倒默契十足。萨姆哈拉泽目前在TNO 任研究员。他主要负责 Quantum Inspire的项目[5]。该项目旨在将自旋量子比特放在云端上,让普通用户可通过互联网直接操作。”起初,萨姆哈拉泽制备该样品是要用于 QuantumInspire,但他们团队当初没有足够有经验的人来进行实验调试。于是,他和薛潇开始合作,并向后者提供了样品,薛潇则向他们反馈调试结果和经验。最终除了合作完成此次论文,也如期将另一块几乎一样的量子芯片放上了云端。此外,本次论文研究中所使用的芯片,也被用于早先一篇论文中,那篇论文的题为《基于 CMOS 的硅量子电路低温控制》(CMOS-basedcryogenic control of silicon quantum circuits)[6],并于 2021 年 5月发表。在那篇论文中,薛潇等人初步验证了将传统的控制/读取的仪器和量子比特,全部集成起来的可能性。对于后续计划,他表示,99%的保真度是量子纠错所要求的,因此下一步自然是进行量子纠错的实验。首先需要足够数目的量子比特;其次需要在完成高保真度单/双量子比特门的同时,做到高保真度的初始化和读取;最后需要一个快速的反馈系统,根据实验中所出现的错误,实时进行纠正。深受中国科大量子信息研究的影响据介绍,2014年,薛潇本科毕业于中国科学技术大学物理系。他说:“科大一直以来都是全国最好的量子信息研究‘宝地’,也是全球量子信息研究实力最强的科研单位之一。早在高考结束纠结于报志愿时,我在科大网上论坛看到了量子计算的讨论。当时虽然几乎完全不懂,但潜意识里感觉自己可能会对其产生兴趣,而其实我原本和父母讨论的是去学习经济或计算机等比较赚钱的专业方向。”他回忆称,在科大读书时耳濡目染受到了很多影响。那时,科大已经在多光子纠缠、百公里级量子密钥分发等做出突破。量子卫星(墨子号)的项目也已经开启。当初的授课老师很多都是直接从事量子信息研究的科学家。课余时间,他听过多次“GDP”三位院士(郭光灿、杜江峰、潘建伟)的学术报告,也参观过他们的实验室。在大二时,他就决定要从事量子研究,之后曾在“九章”量子计算机实验带头人之一陆朝阳教授的实验室中“打过酱油”。本科毕业后,薛潇曾在清华大学进行研究生阶段的学习,直至 2016 年决定出国。2017年,他加入荷兰代尔夫特理工大学利文·范德西彭教授的实验室攻读博士。2020年,其所在团队与英特尔公司合作,利用一个低温控制芯片实现了自旋量子比特的操作。这是通向集成量子芯片的一个里程碑实验。所谓集成量子芯片,就是将量子比特与传统的电学控制及读取系统,集成在同一个芯片上。文章最终于2021 发表在Nature上[6]。现在,薛潇已完成博士毕业论文,并且继续在利文·范德西彭实验室从事博后研究。对于自己目前的导师,他十分佩服并介绍称:“利文·范德西彭在斯坦福读博期间,利用液态分子的核磁共振实验完成了全世界首个舒尔算法的实验验证[7]。”该算法可快速将一个整数分解成两个质数的乘积,这是很多现代密码的数学基础。后来利文·范德西彭来到代尔夫特理工大学,建立了半导体自旋量子比特的实验室,并完成了多数在早期奠定自旋量子比特实验基础的工作,他也因为在半导体自旋量子计算中的贡献,于2021 年获得了荷兰自然科学的最高奖 Spinoza Prize。能有机会先后师从国内外量子巨擘,是薛潇的幸运,也是他努力的结果。这位来自山东省淄博市的 90后青年,也正在考虑国内教职职位,他表示:“回国一直都是我众多选项中排在最前列的。当然这也取决于机会。” 
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