如今，量子計算研究已成為全球科技發(fā)展的一大熱點(diǎn)，各主要國家高度關(guān)注量子計算的發(fā)展，啟動國家級量子戰(zhàn)略行動計劃，大幅增加研發(fā)投入，同時開展頂層規(guī)劃以及研究應(yīng)用布局。同時，國際產(chǎn)業(yè)界也紛紛投資量子計算，如谷歌、IBM、英特爾、微軟等巨頭企業(yè)更是積極推動量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中以谷歌公司在 2019 年首次實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，為產(chǎn)業(yè)界在量子計算方面發(fā)展的標(biāo)志。據(jù)波士頓咨詢公司（Boston Consulting Group）預(yù)測，量子計算機(jī)將很快開始解決許多今天的計算機(jī)無法解決的工業(yè)問題。

那么量子計算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)呢？從當(dāng)前硬件、算法和計算機(jī)架構(gòu)上來說，量子計算機(jī)還不是很成熟。在 20 多年前，澳大利亞的量子計算機(jī)專家 Bruce Kane 在《自然》上發(fā)表了名為“A silicon-based nuclear spin quantum computer”論述了搭建硅基量子計算機(jī)的問題，并指出之中的關(guān)鍵是要將量子比特放置在間距 10—20nm 時所能夠?qū)崿F(xiàn)的一種兩比特門。眾所周知，我們的電腦是由很多具有特定功能的復(fù)雜電路組成，其中就有很多邏輯門電路。這些邏輯門電路及其有序組合就是電腦中形形色色的功能的基礎(chǔ)，進(jìn)而成就了人類數(shù)字社會的今天，而邏輯門操作的穩(wěn)定性和開關(guān)特性決定了電腦的很多關(guān)鍵性能，例如計算速度等。

這種特殊的兩比特門就像是我們通向通用硅基單原子量子計算機(jī)的最后一道門一樣，來自南方科技大學(xué)的賀煜副研究員也許就是開啟這扇通向單原子級別硅基量子計算大門的開門人。他和團(tuán)隊(duì)成員一起，利用高精度微納加工方式，將兩個磷原子構(gòu)成的量子點(diǎn)分別放置在相距 13nm（也就是130?）的位置上，實(shí)現(xiàn)了第一個適用于量子計算機(jī)的高速兩比特門。

賀煜現(xiàn)在是南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院的副研究員、獨(dú)立 PI、硅量子器件和量子計算方向團(tuán)隊(duì)帶頭人。多年來，他在量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了系列開創(chuàng)性成果，利用前沿量子技術(shù)操縱單個原子、電子和光子，在微觀世界構(gòu)建未來信息技術(shù)。

突破關(guān)鍵量子門，推進(jìn)量子計算機(jī)構(gòu)建

從硬件的角度來說，如果能基于硅制作量子計算機(jī)無疑是最方便的，因?yàn)閺牟牧仙蟻碚f，硅在地球上的含量是十分富足的。再者，如今的半導(dǎo)體工藝大都基于硅材料，那么與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的兼容性也能使得量子計算機(jī)的構(gòu)建變得更加方便。 在 2019 年，賀煜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)證明了硅基磷原子體系第一個兩比特門，是滿足通用量子計算判據(jù)的最后一條，也正是 Bruce Kane 提出的量子計算方案中關(guān)鍵的一環(huán)。來自南方科技大學(xué)的俞大鵬院士以此推薦賀煜博士入選“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”榜單，并表示：“這個工作為大規(guī)模量子計算芯片奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是一個里程碑式的工作。”該成果以封面文章發(fā)表在《自然》上，賀煜為第一作者，且該工作被列為“2019 年量子計算實(shí)驗(yàn)十大進(jìn)展”。

賀煜創(chuàng)造性地采用掃描隧道顯微鏡技術(shù)（STM）實(shí)現(xiàn)納米尺度芯片加工，成功地以單原子級別的精度將兩個磷原子構(gòu)成的量子點(diǎn)放置在 13 納米間距上，在硅基量子芯片上實(shí)現(xiàn)了第一個高速兩比特門——800 皮秒的根號交換門，并實(shí)現(xiàn)了利用全統(tǒng)計計數(shù)方法對比特讀出保真度的優(yōu)化、參與構(gòu)建比特讀出保真度分析的理論工作等。 這是一種高精度的微納加工方式，可用于制備單原子、單電子量子器件以及人工量子材料，并能夠?qū)崿F(xiàn)單原子尺度的量子計算，為大規(guī)模可擴(kuò)展的硅基量子計算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

師從潘建偉院士和陸朝陽教授

多年來，賀煜在量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了系列開創(chuàng)性成果，用前沿量子技術(shù)操縱單個原子、電子和光子，在微觀世界構(gòu)建未來量子信息技術(shù)平臺。回顧他的求學(xué)之路，用“根正苗紅”來形容再合適不過。 自本科起，賀煜就在中科大這片量子的土壤中成長，并以優(yōu)異的成績保送本校碩博連讀。期間在導(dǎo)師潘建偉院士和陸朝陽教授的指導(dǎo)下，賀煜主要研究砷化鎵自組裝量子點(diǎn)，核心成果包括一系列單光子源方面開創(chuàng)性工作，以及首次觀察到自發(fā)輻射譜線擦除效應(yīng)——實(shí)現(xiàn)量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)突破，以及單光子向單電子自旋的量子傳態(tài)等。 談及選擇量子技術(shù)作為研究方向的原因，他告訴 DeepTech：“之所以一直選擇量子物理、量子計算的方向，首先是興趣愛好，是自己對于微觀世界的好奇心和對量子世界的喜愛所驅(qū)動，其次是因?yàn)榱孔佑嬎闶且粋€將改變?nèi)祟愇磥淼那把乜萍迹绕涫枪枇孔佑嬎阈酒哂泻艽蟮漠a(chǎn)業(yè)潛力，希望通過自己的耕耘為社會貢獻(xiàn)一份力量，為科學(xué)發(fā)展做一份努力。”

2015 年以后，賀煜繼續(xù)在陸朝陽教授團(tuán)隊(duì)做了半年的博后研究，結(jié)合博士期間的工作，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時世界最高光子數(shù)玻色抽樣——證明了量子計算機(jī)對于第一臺電子管計算機(jī) ENIAC 的超越和第一臺晶體管計算機(jī) TRADIC 的超越，研究成果以論文形式發(fā)表于 2017 年的《自然-光子學(xué)》上，并入選“2017 年中國十大科技進(jìn)展新聞”。 論文指出，為完成高性能玻色抽樣實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)克服的技術(shù)難點(diǎn)有兩個：一是基于砷化鎵量子點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計了穩(wěn)定的高亮度單光子源；二是設(shè)計并使用了性能卓越的多光子干涉儀（multiphoton interferometers），其傳輸效率高達(dá) 99%。研究團(tuán)隊(duì)完成并實(shí)現(xiàn)了 3 光子、4 光子以及 5 光子玻色抽樣實(shí)驗(yàn)，采樣率分別為 4.96kHz、151Hz 和 4Hz，都達(dá)到之前實(shí)驗(yàn)的 24000 倍以上。

這是一項(xiàng)十分驚人的突破，是首次量子計算機(jī)超越傳統(tǒng)計算機(jī)的案例。火車剛剛出現(xiàn)時比馬車還慢，飛機(jī)剛剛問世時只能在空中短暫停留，如今都是改變生活的重要科技成果。量子計算機(jī)從理論上來說，會比傳統(tǒng)計算機(jī)快很多，是基于量子比特運(yùn)行的計算機(jī)。通過量子物理學(xué)中的兩個奇異的原理——“糾纏（entanglement）”和“疊加（superposition）”，量子計算機(jī)能以指數(shù)形式擴(kuò)展計算機(jī)的處理速度。

著眼未來，布局固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)

從根本上來說，量子計算機(jī)目前仍處在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，但軍工、金融、石油化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)療、航空航天、汽車交通等行業(yè)都已注意到其巨大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著時間的推移，預(yù)計 2050 年左右將達(dá)到每年 3000 億美元的營業(yè)收入，將成為改變世界的下一代技術(shù)革命關(guān)鍵領(lǐng)域之一。 回顧計算機(jī)的發(fā)展歷史，世界上的第一臺計算機(jī)是 ENIAC，它生于第二次世界大戰(zhàn)，主要任務(wù)是計算彈道，是一臺軍用計算機(jī)。而計算機(jī)的全面普及其實(shí)與商業(yè)計算機(jī)的出現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建息息相關(guān)。那么量子計算機(jī)會不會也沿著這一條“老路”發(fā)展呢？這也是一個值得思考的問題。賀煜認(rèn)為，量子計算機(jī)要走向應(yīng)用，量子網(wǎng)絡(luò)和通信是十分關(guān)鍵的技術(shù)，必須做以突破。 如今他任教于南方科技大學(xué)，除了量子計算之外，主要研究方向還有量子網(wǎng)絡(luò)。2017 年，他和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單光子到單電子的量子傳態(tài)，開發(fā)了一整套全新的單光子頻率比特控制和測量方案，驗(yàn)證了單個光子和電子之間的糾纏，并且把光子的量子信息傳遞到 5 米遠(yuǎn)的電子自旋上去，為固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)研究的重要突破。

圖 | 賀煜及研究團(tuán)隊(duì)完成的“單光子-單電子”量子傳態(tài) 而談及接下來的研究方向，賀煜表示：“根據(jù)硅量子計算的發(fā)展趨勢，在南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院，我將帶領(lǐng)硅量子計算團(tuán)隊(duì)，研究硅基量子計算芯片和量子計算，從根本問題入手，解決目前的一些技術(shù)瓶頸：進(jìn)行硅基單原子量子器件的基本物理研究；研究新型的硅基原子比特和研究比特耦合技術(shù)；利用低溫掃描隧道顯微鏡直寫技術(shù)構(gòu)建新型芯片等。并將研發(fā)的新工藝和半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行對接，為將來的廣闊商業(yè)前景奠定基礎(chǔ)。” -End-

原文標(biāo)題：33歲南科大科學(xué)家獲固態(tài)量子計算重要突破，成功實(shí)現(xiàn)單原子直寫的量子計算芯片｜專訪

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