■实习生 周佩滢 采访人员 赵广立
近日，《自然》刊登了3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，3项研究都超过了这个关键阈值——这使基于硅量子位的量子计算机成为一个可行的命题，实际制造和应用大型硅量子处理器的“最后一公里”正在被打通 。
3篇论文分别来自荷兰代尔夫特理工大学与荷兰应用科学研究组织的合作团队、日本理化学研究所和新南威尔士大学团队 。在荷兰应用科学研究组织的团队中，华人博士薛潇为论文一作，《中国科学报》就此对他进行了专访 。
拿到“资格准入”
与离子阱和超导材料等其他实现量子计算的路线相比，半导体量子（硅基量子）虽然拥有与现有半导体集成芯片工艺兼容、稳定性更好、可扩展性更强等优势，但由于研究起步慢、面临退相干以及保真度不足等技术难题，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一样好 。”
造出一台实用的量子计算机，量子纠错是必备的技术 。而要实现量子纠错，理论上必须保证计算中单比特门和两比特门保真度都高于99% 。其中，两比特门的保真度一直以来是很大的难点 。
为拿到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 。
大约从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？
【硅基|硅基量子计算冲出迷雾】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 。据此，他们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 。这使得硅基量子实现了对其他路线量子计算相干时间的赶超 。
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 。薛潇所在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、耦合强度以及环境参数，实现了操作上的精准控制 。
对于实验结果，薛潇所在团队使用门集层析成像技术进行验证 。该技术可以在检测保真度的基础上，完整标定实验中系统的误差 。“知道了每次的误差在哪儿，才能去进一步矫正它们 。”薛潇说 。
下一步，“从双到多”
3篇论文的独立研究成果均显示，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：单比特门保真度和两比特门保真度均在99%以上 。
回顾我国量子计算的发展历程，以中国科学技术大学及由该校相关团队孵化的“本源量子”等为代表，正在形成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”已于1月11日在线发表于《自然—通讯》 。
薛潇的下一步研究是把量子比特数目做上去 。“只有提升了比特数，才能进一步接近通用量子计算机的实际需求 。”
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