南科大科學家獲固態量子計算突破，實現單原子直寫的量子計算芯片

如今，量子計算研究已成爲全球科技發展的一大熱點，各主要國家高度關注量子計算的發展，啓動國家級量子戰略行動計劃，大幅增加研發投入，同時開展頂層規劃以及研究應用佈局。同時，國際產業界也紛紛投資量子計算，如谷歌、IBM、英特爾、微軟等巨頭企業更是積極推動量子計算產業的發展，其中以谷歌公司在 2019 年首次實現量子霸權，爲產業界在量子計算方面發展的標誌。據波士頓諮詢公司（Boston Consulting Group）預測，量子計算機將很快開始解決許多今天的計算機無法解決的工業問題。

那麼量子計算機離我們還有多遠呢？從當前硬件、算法和計算機架構上來說，量子計算機還不是很成熟。在 20 多年前，澳大利亞的量子計算機專家 Bruce Kane 在《自然》上發表了名爲“A silicon-based nuclear spin quantum computer”論述了搭建硅基量子計算機的問題，並指出之中的關鍵是要將量子比特放置在間距 10—20nm 時所能夠實現的一種兩比特門。衆所周知，我們的電腦是由很多具有特定功能的複雜電路組成，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，進而成就了人類數字社會的今天，而邏輯門操作的穩定性和開關特性決定了電腦的很多關鍵性能，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的最後一道門一樣，來自南方科技大學的賀煜副研究員也許就是開啓這扇通向單原子級別硅基量子計算大門的開門人。他和團隊成員一起，利用高精度微納加工方式，將兩個磷原子構成的量子點分別放置在相距 13nm（也就是130Å）的位置上，實現了第一個適用於量子計算機的高速兩比特門。

圖 | 《麻省理工科技評論》中國區“35 歲以下科技創新 35 人”榜單入選者賀煜

賀煜現在是南方科技大學量子科學與工程研究院的副研究員、獨立 PI、硅量子器件和量子計算方向團隊帶頭人。多年來，他在量子計算和量子網絡方面取得了系列開創性成果，利用前沿量子技術操縱單個原子、電子和光子，在微觀世界構建未來信息技術。

從硬件的角度來說，如果能基於硅製作量子計算機無疑是最方便的，因爲從材料上來說，硅在地球上的含量是十分富足的。再者，如今的半導體工藝大都基於硅材料，那麼與傳統半導體工藝的兼容性也能使得量子計算機的構建變得更加方便。

在 2019 年，賀煜帶領團隊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的最後一條，也正是 Bruce Kane 提出的量子計算方案中關鍵的一環。來自南方科技大學的俞大鵬院士以此推薦賀煜博士入選“35 歲以下科技創新 35 人”榜單，並表示：“這個工作爲大規模量子計算芯片奠定了堅實基礎，是一個里程碑式的工作。”該成果以封面文章發表在《自然》上，賀煜爲第一作者，且該工作被列爲“2019 年量子計算實驗十大進展”。

圖 | 賀煜發表在《自然》的論文

賀煜創造性地採用掃描隧道顯微鏡技術（STM）實現納米尺度芯片加工，成功地以單原子級別的精度將兩個磷原子構成的量子點放置在 13 納米間距上，在硅基量子芯片上實現了第一個高速兩比特門——800 皮秒的根號交換門，並實現了利用全統計計數方法對比特讀出保真度的優化、參與構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，可用於製備單原子、單電子量子器件以及人工量子材料，並能夠實現單原子尺度的量子計算，爲大規模可擴展的硅基量子計算奠定了堅實基礎。

多年來，賀煜在量子計算和量子網絡方面取得了系列開創性成果，用前沿量子技術操縱單個原子、電子和光子，在微觀世界構建未來量子信息技術平臺。回顧他的求學之路，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，並以優異的成績保送本校碩博連讀。期間在導師潘建偉院士和陸朝陽教授的指導下，賀煜主要研究砷化鎵自組裝量子點，核心成果包括一系列單光子源方面開創性工作，以及首次觀察到自發輻射譜線擦除效應——實現量子光學的實驗突破，以及單光子向單電子自旋的量子傳態等。

談及選擇量子技術作爲研究方向的原因，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，是自己對於微觀世界的好奇心和對量子世界的喜愛所驅動，其次是因爲量子計算是一個將改變人類未來的前沿科技，尤其是硅量子計算芯片具有很大的產業潛力，希望通過自己的耕耘爲社會貢獻一份力量，爲科學發展做一份努力。”

圖 | 賀煜發表在《自然-光子學》的論文

2015 年以後，賀煜繼續在陸朝陽教授團隊做了半年的博後研究，結合博士期間的工作，實現了當時世界最高光子數玻色抽樣——證明了量子計算機對於第一臺電子管計算機 ENIAC 的超越和第一臺晶體管計算機 TRADIC 的超越，研究成果以論文形式發表於 2017 年的《自然-光子學》上，併入選“2017 年中國十大科技進展新聞”。

論文指出，爲完成高性能玻色抽樣實驗，研究團隊克服的技術難點有兩個：一是基於砷化鎵量子點，研究團隊設計了穩定的高亮度單光子源；二是設計並使用了性能卓越的多光子干涉儀（multiphoton interferometers），其傳輸效率高達 99%。研究團隊完成並實現了 3 光子、4 光子以及 5 光子玻色抽樣實驗，採樣率分別爲 4.96kHz、151Hz 和 4Hz，都達到之前實驗的 24000 倍以上。

圖 | 賀煜團隊開發的高性能玻色抽樣實驗平臺

這是一項十分驚人的突破，是首次量子計算機超越傳統計算機的案例。火車剛剛出現時比馬車還慢，飛機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。量子計算機從理論上來說，會比傳統計算機快很多，是基於量子比特運行的計算機。通過量子物理學中的兩個奇異的原理——“糾纏（entanglement）”和“疊加（superposition）”，量子計算機能以指數形式擴展計算機的處理速度。

從根本上來說，量子計算機目前仍處在產業發展的初期階段，但軍工、金融、石油化工、材料科學、生物醫療、航空航天、汽車交通等行業都已注意到其巨大的發展潛力。隨着時間的推移，預計 2050 年左右將達到每年 3000 億美元的營業收入，將成爲改變世界的下一代技術革命關鍵領域之一。

回顧計算機的發展歷史，世界上的第一臺計算機是 ENIAC，它生於第二次世界大戰，主要任務是計算彈道，是一臺軍用計算機。而計算機的全面普及其實與商業計算機的出現和網絡的構建息息相關。那麼量子計算機會不會也沿着這一條“老路”發展呢？這也是一個值得思考的問題。賀煜認爲，量子計算機要走向應用，量子網絡和通信是十分關鍵的技術，必須做以突破。

如今他任教於南方科技大學，除了量子計算之外，主要研究方向還有量子網絡。2017 年，他和團隊實現了單光子到單電子的量子傳態，開發了一整套全新的單光子頻率比特控制和測量方案，驗證了單個光子和電子之間的糾纏，並且把光子的量子信息傳遞到 5 米遠的電子自旋上去，爲固態量子網絡研究的重要突破。

圖 | 賀煜及研究團隊完成的“單光子-單電子”量子傳態

而談及接下來的研究方向，賀煜表示：“根據硅量子計算的發展趨勢，在南方科技大學量子科學與工程研究院，我將帶領硅量子計算團隊，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瓶頸：進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；利用低溫掃描隧道顯微鏡直寫技術構建新型芯片等。並將研發的新工藝和半導體芯片產業化進行對接，爲將來的廣闊商業前景奠定基礎。”