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    登上Nature封面,90后中科大校友實現硅量子計算99%保真度
    來源:互聯網   發布日期:2022-02-07 10:57:39   瀏覽:9141次  

    導讀:在過去幾年,實現兩比特門 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,那么這個系統也就沒有繼續研究的必要。多年前...

    在過去幾年,實現兩比特門 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,那么這個系統也就沒有繼續研究的必要。”多年前選高考志愿時,薛瀟曾在金融、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,他實現了上述“99% 的目標”。

    登上Nature封面,90后中科大校友實現硅量子計算99%保真度

    圖 | 薛瀟(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。而薛瀟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閾值的量子邏輯》(Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold)。

    登上Nature封面,90后中科大校友實現硅量子計算99%保真度

    圖 | 相關論文(來源:Nature)

    他表示,此次工作解決了一個領域內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單位比特,量子比特更容易受到環境噪音的影響,從而導致計算錯誤。而要研制一臺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、以及比特信息讀取的保真度都需要高于 99%。

    因此 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,僅僅只有兩篇論文分別報道了 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內部形成一個“電勢阱”,將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),與傳統計算機芯片所使用的晶體管結構有著極高的相似度[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 等業內巨擘,都在研究這一方向。

    其中,英特爾和 IMEC 目前都已經利用先進集成電路工藝在 300mm 尺寸的晶圓上實現了大規模的器件制備。一旦這個系統被證明可行,那么工業界就能將傳統的集成電路工藝直接應用到量子芯片上。

    相比之下,其他物理系統比如離子阱、線性光學,都與現有的先進集成電路工藝不兼容。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別,幾乎不可能將百萬量子比特集成在一個微尺度芯片上。

    而由量子點定義的自旋量子比特平均尺寸在 100 納米左右,這使得其在可擴展性,以及未來與其他不同功能的芯片的集成都具有極大優勢。

    至于前面所提到的“證明一個系統可行”,一個關鍵的指標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,這一點對所有物理系統都是成立的。

    薛瀟指出,長期以來半導體自旋量子比特為數不多的宣傳點,就是有利于集成和擴展,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。

    而這次薛瀟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,薛瀟在 2018-2019 年先后完成了一系列的硅基兩比特實驗,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質量并不好,主要受限于材料性質。自然界的硅元素包含 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干擾。

    在 2019 年初,薛瀟在荷蘭代爾夫特理工大學的同事佐丹奴斯卡普奇(Giordano Scappucci)在實驗室內,成功改進了硅襯底的性質,包含使用了同位素純化的硅材料,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)的同事諾達爾薩姆哈拉澤(Nodar Samkharadze)制備了這塊兩比特的樣品。

    這時,在導師利文范德西彭(Lieven Vandersypen)的建議下,薛瀟在 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物理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,薛瀟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建模,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。

    對量子化學和物理進行模擬,會是量子計算的“第一個成熟應用”

    目前普遍認為,在近些年內,對量子化學和物理進行模擬,會是量子計算的“第一個成熟應用”。

    本次論文所展示的最后一個實驗,是薛瀟和團隊利用高保真度的量子門操作,對氫分子的基態能量譜進行了量子模擬。

    登上Nature封面,90后中科大校友實現硅量子計算99%保真度

    圖 | 對氫分子的基態能量譜進行了量子模擬(來源:Nature)

    此外,薛瀟的同事早先發表在Nature上的另一篇論文 [4],展示了觀測到 Nagaoka 鐵磁態的成果。這是一種由日本理論物理學家長岡(Nagaoka)所提出的物理現象,但是在自然界中目前無法觀測。

    而薛瀟所在實驗室,在人工制備的量子點陣列中成功觀測到了這個現象。

    而隨著量子比特數目的增加,此次成果有望在未來對氣候進行模擬,對城市交通進行優化,以及快速破譯密碼等應用都可以實現。不過這些預計很難在未來的5-10年內實現。

    說到這里他補充稱:“說個題外話,我個人倒是很好奇是否可以在短期內把量子計算應用到挖礦和提高云端游戲的體驗等方面。”

    他還表示:“此次工作最終可以完成,特別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物理學博士后的身份加入我們實驗室,主要負責對實驗進行理論支持。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。到了后期反倒默契十足。薩姆哈拉澤目前在 TNO 任研究員。他主要負責 Quantum Inspire 的項目[5]。該項目旨在將自旋量子比特放在云端上,讓普通用戶可通過互聯網直接操作。”

    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,他和薛瀟開始合作,并向后者提供了樣品,薛瀟則向他們反饋調試結果和經驗。最終除了合作完成此次論文,也如期將另一塊幾乎一樣的量子芯片放上了云端。

    此外,本次論文研究中所使用的芯片,也被用于早先一篇論文中,那篇論文的題為《基于 CMOS 的硅量子電路低溫控制》(CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits)[6],并于 2021 年 5 月發表。在那篇論文中,薛瀟等人初步驗證了將傳統的控制/讀取的儀器和量子比特,全部集成起來的可能性。

    對于后續計劃,他表示,99% 的保真度是量子糾錯所要求的,因此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;最后需要一個快速的反饋系統,根據實驗中所出現的錯誤,實時進行糾正。

    深受中國科大量子信息研究的影響

    據介紹,2014 年,薛瀟本科畢業于中國科學技術大學物理系。他說:“科大一直以來都是全國最好的量子信息研究‘寶地’,也是全球量子信息研究實力最強的科研單位之一。早在高考結束糾結于報志愿時,我在科大網上論壇看到了量子計算的討論。當時雖然幾乎完全不懂,但潛意識里感覺自己可能會對其產生興趣,而其實我原本和父母討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、百公里級量子密鑰分發等做出突破。量子衛星(墨子號)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信息研究的科學家。課余時間,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,之后曾在“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”。

    本科畢業后,薛瀟曾在清華大學進行研究生階段的學習,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范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,利用一個低溫控制芯片實現了自旋量子比特的操作。這是通向集成量子芯片的一個里程碑實驗。所謂集成量子芯片,就是將量子比特與傳統的電學控制及讀取系統,集成在同一個芯片上。文章最終于 2021 發表在Nature上[6]。

    現在,薛瀟已完成博士畢業論文,并且繼續在利文范德西彭實驗室從事博后研究。對于自己目前的導師,他十分佩服并介紹稱:“利文范德西彭在斯坦福讀博期間,利用液態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]。”該算法可快速將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矗后來利文范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。

    能有機會先后師從國內外量子巨擘,是薛瀟的幸運,也是他努力的結果。這位來自山東省淄博市的 90 后青年,也正在考慮國內教職職位,他表示:“回國一直都是我眾多選項中排在最前列的。當然這也取決于機會。”

    -End-

    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, 528533 (2020)

    5、https://www.quantum-inspire.com/

    6、X.Xue et al.,Nature593, 205210 (2021)

    7、L.M.K.Vandersypen et al.,Nature414, 883887 (2001)

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