自 1980 年量子計(jì)算這一概念被首次提出以來(lái)，該領(lǐng)域已經(jīng)歷經(jīng)了四十余年的發(fā)展史。
量子比特，是該領(lǐng)域的一個(gè)基本信息單位，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特類似。
不過(guò)，經(jīng)典比特只有 0 或 1 兩種狀態(tài)，量子比特還具有包括 0 和 1 的疊加狀態(tài)在內(nèi)的其他狀態(tài)。
這種屬性讓量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行復(fù)雜算法和解決某些任務(wù)時(shí)，擁有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)高出指數(shù)倍的加速能力。
因此，構(gòu)建大量的量子比特，對(duì)于發(fā)展量子計(jì)算技術(shù)而言至關(guān)重要。
最初，該領(lǐng)域的研究人員，主要利用光子或原子的量子態(tài)來(lái)編碼量子比特。
該方法在推進(jìn)基礎(chǔ)物理研究方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但由于在真空環(huán)境下操縱光子或原子所需的實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻，使得未來(lái)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
在此背景下，融合當(dāng)前最尖端的量子計(jì)算技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的硅基量子計(jì)算技術(shù)，于近十年來(lái)獲得快速發(fā)展，并有望成為量子計(jì)算的最佳解決方案。
主要原因在于，與基于光和原子的量子計(jì)算相比，硅基量子計(jì)算更加具有實(shí)用性，能夠利用傳統(tǒng)的集成電路工藝，在半導(dǎo)體環(huán)境下構(gòu)建量子比特，從而實(shí)現(xiàn)量子處理器。
因而，這幾年，歐美澳等地已經(jīng)涌現(xiàn)大量與硅基量子計(jì)算相關(guān)的公司。不但英特爾、IBM 等科技公司在重點(diǎn)布局該領(lǐng)域，也有相當(dāng)多的量子計(jì)算初創(chuàng)公司出現(xiàn)，例如英國(guó)的 Quantum Motion、澳大利亞的 Diraq 等。
與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)同樣存在一些從事該領(lǐng)域研究的科研團(tuán)隊(duì)，其中就包括荷蘭代爾夫特理工大學(xué)博士后薛瀟所在的課題組。
目前，薛瀟的研究致力于實(shí)現(xiàn)分布式可集成量子計(jì)算。在計(jì)算模塊上，他取得 99.65% 的硅基兩比特邏輯保真度，首次達(dá)到量子糾錯(cuò)所要求的保真度閾值；在集成上，與英特爾公司合作測(cè)試并驗(yàn)證了基于 22 納米制程的低溫量子控制芯片，首次實(shí)現(xiàn)利用低溫芯片對(duì)量子芯片的控制；在模塊間通信上，利用超導(dǎo)微波光子，在遠(yuǎn)距離硅基量子模塊間實(shí)現(xiàn)兩比特邏輯。
憑借在硅基半導(dǎo)體系統(tǒng)中攻克了量子計(jì)算領(lǐng)域最重要的三大挑戰(zhàn)，即高保真度、可集成性和模塊化架構(gòu)，推動(dòng)硅基量子計(jì)算在短短幾年間成為被廣泛看好的量子計(jì)算最佳系統(tǒng)之一，薛瀟成為 2023 年度《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國(guó)入選者之一。
在硅基半導(dǎo)體系統(tǒng)中攻克量子計(jì)算領(lǐng)域三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，助推硅基量子計(jì)算成為量子計(jì)算最佳系統(tǒng)之一
如上所說(shuō)，硅基量子計(jì)算擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α５湎噍^于離子阱、超導(dǎo)線路等其他起步較早的系統(tǒng)，還存在許多需要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。
其中，最重要的是基于電子自旋的量子比特的保真度。
在量子計(jì)算中，保真度是一個(gè)非常重要的概念，指的是量子態(tài)或量子操作的精確程度，會(huì)直接影響量子信息的傳輸質(zhì)量、量子計(jì)算的準(zhǔn)確性和量子通信的安全性。
“保真度直接對(duì)應(yīng)的是非保真度，后者代表的是計(jì)算中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。只有將正確率盡可能地提高，才能對(duì)量子比特進(jìn)行大量的邏輯運(yùn)算。”薛瀟解釋道。
在硅基量子計(jì)算發(fā)展的早期，世界各個(gè)實(shí)驗(yàn)室所使用的硅材料均為自然硅，其中包含 4.7% 的 Si-29 同位素。而 Si-29 帶有非零核自旋，由于超精細(xì)相互作用，會(huì)造成電子自旋退相干非�？�。
2019 年，薛瀟在代爾夫特理工大學(xué)讀博期間，首次在自然硅中驗(yàn)證了 92% 的兩比特邏輯保真度[1]。但這與容錯(cuò)量子計(jì)算所需要的 99% 保真度相比，仍然存在一段距離。
“量子計(jì)算總會(huì)存在錯(cuò)誤率，并會(huì)在量子比特?cái)?shù)目不斷增加的同時(shí)，呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因此，我們需要用冗余的量子比特，對(duì)目標(biāo)量子比特進(jìn)行錯(cuò)誤糾正，而完成糾錯(cuò)所需的保真度閾值就是 99%。”薛瀟表示。
也就是說(shuō)，只有達(dá)到這一閾值，糾錯(cuò)大概率才能獲得成功。
因此，為沖擊這一目標(biāo)，薛瀟與合作者對(duì)硅材料進(jìn)行同位素純化，去除絕大多數(shù) Si-29 同位素。同時(shí)，改進(jìn)材料的介電層，并對(duì)兩比特系統(tǒng)的交換相互作用進(jìn)行精確的哈密頓量調(diào)控。
對(duì)于薛瀟而言，未知才是該研究開展過(guò)程中遇到的最大挑戰(zhàn)。
“雖然我們?cè)趯?shí)驗(yàn)之前已經(jīng)確定了目標(biāo)，就是達(dá)到 99% 以上的保真度，但我們并不知道自己到底能不能成功。這種未知會(huì)給我們帶來(lái)嚴(yán)重的自我懷疑。”他說(shuō)，“為了克服這種未知，我們只有不斷地去尋找實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中任何可能進(jìn)行優(yōu)化的空間。”
最終，經(jīng)過(guò)不懈的努力，該課題組于 2022 年實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99.65% 的硅基兩比特邏輯保真度，在國(guó)際上首次跨越了容錯(cuò)量子計(jì)算的門檻[2]。該工作被選為當(dāng)期 Nature 的封面文章。
除了高保真度，硅基量子計(jì)算的另一大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)集成化量子芯片。
在谷歌的“量子霸權(quán)”實(shí)驗(yàn)中，超過(guò) 200 根控制和讀取線纜需要從室溫進(jìn)入制冷機(jī)。這不僅會(huì)帶來(lái)很大噪音，還不利于集成和擴(kuò)展。
為解決這個(gè)問(wèn)題，自 2020 年起，薛瀟所在的課題組與英特爾合作，探索將量子控制和讀取儀器進(jìn)行小型化和芯片化，并探究與量子處理器本身進(jìn)行集成的可行性。
在此基礎(chǔ)上，他們?cè)O(shè)計(jì)出基于 22 納米制程的低溫控制芯片（代號(hào)為“Horse Ridge”）[3]。該芯片的大小和功耗分別為 4 平方毫米和 384 毫瓦，能夠替代笨重的傳統(tǒng)高頻儀器，并實(shí)現(xiàn)相同的保真度。
此外，當(dāng)前關(guān)于量子計(jì)算的研究還聚焦于實(shí)現(xiàn)分布式可集成量子計(jì)算，即構(gòu)建多個(gè)小規(guī)模計(jì)算模塊，并使模塊間進(jìn)行量子通信。
這方面，薛瀟與合作者利用超導(dǎo)微波光子，于 2023 年在遠(yuǎn)距離的硅基量子模塊間實(shí)現(xiàn)兩比特邏輯。據(jù)了解，目前相關(guān)論文正在接受同行評(píng)審，薛瀟是共同第一作者[4]。
致力于實(shí)現(xiàn)真正全集成的模塊化硅基量子處理器，推動(dòng)中國(guó)量子、半導(dǎo)體和人工智能三大領(lǐng)域發(fā)展
其實(shí)，對(duì)于量子信息這一新興領(lǐng)域，薛瀟早在高考結(jié)束后就已經(jīng)了解。源于對(duì)該領(lǐng)域的興趣，他決定將中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)作為第一志愿填報(bào)，并被順利錄齲
本科階段，他的主要興趣是基于線性光學(xué)的多光子糾纏。
2014 年到清華大學(xué)讀研以后，則著重于石墨烯量子點(diǎn)的研究。
2017 年，他遠(yuǎn)赴代爾夫特理工大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，自此開始研究半導(dǎo)體中的自旋量子比特。
談到為何選擇這一方向，薛瀟表示主要基于以下三方面原因。
其一，對(duì)量子技術(shù)和凝聚態(tài)物理都擁有濃厚的興趣，而半導(dǎo)體計(jì)算是唯一能夠讓他同時(shí)探索這兩方面的研究方向。
其二，硅基量子計(jì)算的量子比特尺寸小于 100 納米，具有天然的集成優(yōu)勢(shì)，并且工業(yè)界已經(jīng)具備成熟的大規(guī)模制備工藝，能幫助該系統(tǒng)與現(xiàn)有傳統(tǒng)的硅基電路進(jìn)行集成。
其三，目前中國(guó)在量子、半導(dǎo)體和人工智能三大領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)硅基量子計(jì)算進(jìn)行研究，不僅有助于推進(jìn)量子和半導(dǎo)體兩方面的工業(yè)發(fā)展，還有望應(yīng)用于人工智能的發(fā)展中。
這里，值得一提的是，量子和人工智能之間的發(fā)展是可以相互促進(jìn)的。
對(duì)此，薛瀟指出：“當(dāng)量子計(jì)算真正能夠帶來(lái)算力提升時(shí)，自然可以促進(jìn)人工智能的發(fā)展；而已有的人工智能算法，也能夠用于服務(wù)量子芯片的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。”
而從量子計(jì)算的應(yīng)用來(lái)看，其毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)在不遠(yuǎn)的未來(lái)大規(guī)模落地產(chǎn)業(yè)界，并在銀行系統(tǒng)和數(shù)字貨幣系統(tǒng)中的加密算法、無(wú)人駕駛和城市交通中的優(yōu)化算法、以及新型藥物和新型功能材料設(shè)計(jì)中的量子模擬算法等方向發(fā)揮重要價(jià)值。
“然而，要想實(shí)現(xiàn)這樣的應(yīng)用前景，就必須將數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)個(gè)量子比特進(jìn)行高度集成。我們所研究的硅基量子計(jì)算平臺(tái)，是目前最有希望完成這一突破的系統(tǒng)。”薛瀟表示。
由于目前，他已經(jīng)在高保真度、可集成性和模塊化架構(gòu)三項(xiàng)技術(shù)上取得了領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的重大突破，因此下個(gè)階段，他計(jì)劃打造一個(gè)真正全集成的模塊化硅基量子處理器。
與此同時(shí)，他也計(jì)劃與國(guó)內(nèi)從事相關(guān)領(lǐng)域的同行聯(lián)合推動(dòng)硅基量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，從而促進(jìn)我國(guó)的量子、半導(dǎo)體和人工智能三大領(lǐng)域的發(fā)展。
1. X. Xue, T. F. Watson, et al., Benchmarking Gate Fidelities in a Si/SiGe Two-Qubit Device.Physical Review X 9, 021011 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021011
2. X. Xue, M. Russ, N. Samkharadze, et al., Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold.Nature 601, 343347 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04273-w
3. X. Xue, B. Patra, J. P. G. van Dijk, et al., CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits.Nature 593, 205210 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03469-4
4. J. Dijkema, X. Xue, et al., Two-qubit logic between distant spins in silicon. arXiv:2310.16805 (2023). https://arxiv.org/abs/2310.16805
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
