作者 | 周佩滢 赵广立

1月19日，Nature一下刊登了三篇关于硅基量子计算重大突破的论文，并且联合作为当期封面，甚是罕见。

研究人员首次完成了硅基量子计算两比特门保真度超99%的突破，也就是说，每100次操作发生的错误少于一次。至关重要的是，所有三项研究都超过了这个关键阈值。它使基于硅量子位的量子计算机成为一个可行的命题，实际制造和应用的大型硅量子处理器的“最后一公里”正在被打通。

三篇论文分别来自荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）与荷兰应用科学研究组织（TNO）的合作团队QuTech、日本理化学研究所（RIKEN）和新南威尔士大学团队（UNSW）。其中在荷兰QuTech团队中承担一作的是中国博士薛潇，他在第一时间接受了《中国科学报》的采访。

“人们质疑什么，我们就去攻克什么”

Nature最新封面

由于起步晚，半导体量子（硅基量子）大大落后于离子阱和超导材料等其他量子计算技术，但是基于硅材料的量子芯片在开发量子计算机方面更有优势。

一是半导体量子点的制备可与现有半导体集成芯片工艺兼容，在成熟工艺支撑下，后续技术产业化的可行性大大提高；二是相比其他路线所使用的材料，硅量子比特的稳定性更好；三是半导体量子点体系具有良好的可扩展性，量子点的自旋性质可人为调控，比一般的量子体系更容易集成。

尽管材料的优势很明显，但技术挑战同样显著：受周围核自旋影响严重，半导体量子比特面临退相干以及保真度不足两大难题。

起跑慢，技术受限，在这场世纪竞赛中，半导体虽是最具潜力的量子赛道，却也受到了不少质疑。

“我们的实验结果相当于打破了这种质疑，”薛潇说，“证明硅基量子也可以做到和其他平台的一样好！”

99%的保真度其实是一个门槛：量子计算实现通用测算离不开量子纠错，要造出一台真正实用的量子计算机，量子纠错是必备的技术。而要实现量子纠错，理论上就必须保证计算中单比特门和两比特门保真度都高于99%。如能破解，就是巨大成功。

其中，两比特门的保真度一直以来都是很大的难点。为了攻克这一鲤鱼跃龙门式的保真度“资格准入”，薛潇所在团队从提纯材料减少核自旋影响、实现双量子比特间相互作用的精准控制切入。

“人们质疑什么，我们就去攻克什么。”薛潇说。

约从2010年开始，为了减少核自旋影响，大量实验室开始从砷化镓转向硅，从自然界中直接提取的硅有硅28/29/30三种稳定的同位素，其中硅28和硅30是没有核自旋的。硅29虽然有核自旋，但含量仅占5%。纵然如此，似乎还是不够，怎么进一步减少核自旋的影响呢？

薛潇所在团队想到了提纯——将自然界中的硅29剔除，升级成以核自旋为0的硅28为主的硅基材料。

相干时间是量子计算机的关键指标，它直接限制了量子计算机可以连续进行量子操作的最大次数，同时也是实现高保真度量子操作的前提条件。薛潇所在团队最终完成了相干时间的数量级的提升：从砷化镓到自然硅，相干时间提升了两个数量级；从自然硅到纯化硅，相干时间又提升了两个数量级，与十几年前相比，整个量子相干时间提升了4个数量级。

至此，硅基量子跟其他路线的量子计算的相干时间数量级终于实现了赶超。

在攻克材料关卡后，另一个难点是控制两个量子比特间相互作用。电子自旋的向上和向下的两能级系统可作为一个量子比特，根据自旋和电荷之间的关联，可以通过电学开关门对电子自旋进行控制。

薛潇所在的荷兰团队使用由硅和硅锗合金二维电子气形成的材料，通过门电极创造了一个两比特门系统，不断探索电子的相互作用、耦合的强度以及环境参数，实现了操作上的精准控制。

他们的方法是在红蓝电极LP和RP上配置电压，各吸引一个电子，通过调控电压来控制电子的状态，从而给进一步提高保真度提供了方法基础。

那么，如何对实验结果进行验证呢？

荷兰团队和澳大利亚团队使用了难度较大的门集层析成像（GST）验证方法，日本—新南威尔士团队采用了随机校准（RB）验证方法。

前者可以在检测保真度的基础上，完整标定实验中系统的误差之处；后者则除了告诉你错误率之外，不会标定出具体错出在哪。“这也是我们采用门集断层扫描的重要原因，”薛潇说，“知道了每次的误差在哪，才能去进一步矫正它们。”

下一步，“从双到多”

三篇论文的独立研究成果都显示，这场大型的研发竞赛中，硅量子计算实现了从理论到现实的关键跨越：

荷兰代尔夫特理工大学团队通过使用硅/硅锗合金量子点的电子自旋，实现了99.87%的单比特门保真度和99.65%的两比特门保真度；

日本RIKEN团队同样使用了硅/硅锗合金量子点的双电子系统，实现了99.84%的单比特门保真度和99.51%的两比特门保真度；

澳大利亚新南威尔士大学团队则通过离子注入硅，在电子和两个磷原子组成的三量子比特系统上，实现了99.95%的单比特门保真度和99.37%的两比特门保真度。

薛潇的下一步研究，便是把量子比特数目做上去。“只有提升了比特数，才能再进一步接近通用量子计算机的实际需求。”

对他而言，让硅基两比特门保真度从98%迈过99%的门槛，是对物理系统的挑战；而从两比特到多比特、乃至百万量子比特级别的制备，实验之外则更多是工程工艺层面的挑战。

在实验室走通了理论到现实的一步，下一步的实用前景还需要更多工业企业的关注与技术投入。到了这一阶段，已纵横传统计算领域50年的硅基材料或将迎来它在量子领域的“第二春”，相对于其他量子平台，成熟技术优越性也将愈发突出。

量子计算领域的赛道或将再次洗牌。国外科技巨头英特尔、微软、IBM、谷歌，国内巨头阿里巴巴、腾讯、百度、华为等的行动都表明：量子为电脑运算带来指数级的巨幅加速即将实现，纷纷投入巨额研发资金，对不同的量子计算技术押下赌注，争先孵化出更有实用价值的量子计算机，赢得这场世纪竞赛。

值得一提的是，中国科学技术大学及由该校相关团队孵化的“本源量子”是我国硅基量子计算的生力军，他们近期也在硅基半导体技术方面取得重要进展，相关研究成果“硅基自旋量子比特的超快相干操控”（Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot）已于1月11日在线发表在《自然⋅通讯》上。

“从未停止探索量子领域的脚步”

作为论文一作，薛潇更多还是聚焦在论文本身对行业的贡献上。

“我很高兴，但更欣慰的是我们这篇论文能给硅基量子领域带来的实质性进展，去年5月我也发了一篇一作Nature，验证了低温集成电路对硅基芯片的高保真度控制。”

薛潇

作为团队中唯一的华人，薛潇在研究的实验层面发挥了重要作用，但是过程却非一帆风顺，甚至一度中断了半年。

2019年9月薛潇开始进行这项选题，第一阶段的实验推进过程中一度遭遇了参数调整方面的瓶颈，再加上欧洲疫情的严峻复杂，不得不于2020年3月告一段落。

但他没有放弃，主动联系了另一课题组专攻理论物理的Maximilian Russ，在导师Lieven Vandersypen（伊文·万德斯芬）的协调下来到统一课题组进行研究，提供了理论模型上的帮助。

实验在2020年9月重新开始，在荷兰反反复复的“lockdown”中，薛潇在线下实验和线上远程操控中频频切换，经常是在有限的实验室时间里调试好设备，离开前设置一个“通宵运转”的程序，来让实验不间断地进行操作。

有压力吗？有。要干下去吗？要。

2021年4月，团队终于得出了实验成果。薛潇认为，导师的指引和代尔夫特理工大学多年建设起来的实验环境给了他很大支持。

薛潇的导师Lieven是量子计算领域的领军人物之一，也是荷兰团队的负责人兼论文的通讯作者，2000年他就作为第一作者在Nature发表了肖尔算法论文，持续多年的深耕，也使他在去年获得了荷兰自然科学的最高奖项。他给薛潇提供了尽可能自由的研究空间，很少用“唯成果论”给他制造压力。

薛潇本科就读于中国科学技术大学，在大一期间，他出于对量子领域的兴趣，从工程力学申请转专业到物理系。那时候他经常去听学校“大牛”的物理课，也在中科大这种尖端技术环境的浸润下，逐渐坚定从事量子计算的道路。

毕业后，他在清华大学半导体实验室进行硕士阶段的学习，但在技术受限后实验室关停，前景一度迷茫。为了将硅量子计算的实验继续下去，他申请到荷兰代尔夫特理工大学读博，目前留在代尔夫特进行博士后研究，推进硅基量子的下一步实验。

薛潇嘱咐，不要对他的工作进行过度宣传，事实上，对于年轻的博士来说，无需他言，研究成果本身就是最大的代言。

本文经中国科学技术大学教授郭国平、南方科技大学量子科学与工程研究院研究员贺煜审阅。