如今，量子計(jì)算研究已成為全球科技發(fā)展的一大熱點(diǎn)，各主要國(guó)家高度關(guān)注量子計(jì)算的發(fā)展，啟動(dòng)國(guó)家級(jí)量子戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，大幅增加研發(fā)投入，同時(shí)開(kāi)展頂層規(guī)劃以及研究應(yīng)用布局。同時(shí)，國(guó)際產(chǎn)業(yè)界也紛紛投資量子計(jì)算，如谷歌、IBM、英特爾、微軟等巨頭企業(yè)更是積極推動(dòng)量子計(jì)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(jì)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(cè)，量子計(jì)算機(jī)將很快開(kāi)始解決許多今天的計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的工業(yè)問(wèn)題。

那么量子計(jì)算機(jī)離我們還有多遠(yuǎn)呢？從當(dāng)前硬件、算法和計(jì)算機(jī)架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)還不是很成熟。在 20 多年前，澳大利亞的量子計(jì)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(jì)算機(jī)的問(wèn)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(shí)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(huì)的今天，而邏輯門操作的穩(wěn)定性和開(kāi)關(guān)特性決定了電腦的很多關(guān)鍵性能，例如計(jì)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(jì)算機(jī)的最后一道門一樣，來(lái)自南方科技大學(xué)的賀煜副研究員也許就是開(kāi)啟這扇通向單原子級(jí)別硅基量子計(jì)算大門的開(kāi)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(gè)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(gè)適用于量子計(jì)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(jì)算方向團(tuán)隊(duì)帶頭人。多年來(lái)，他在量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了系列開(kāi)創(chuàng)性成果，利用前沿量子技術(shù)操縱單個(gè)原子、電子和光子，在微觀世界構(gòu)建未來(lái)信息技術(shù)。

突破關(guān)鍵量子門，推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)構(gòu)建

從硬件的角度來(lái)說(shuō)，如果能基于硅制作量子計(jì)算機(jī)無(wú)疑是最方便的，因?yàn)閺牟牧仙蟻?lái)說(shuō)，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(jì)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(gè)兩比特門，是滿足通用量子計(jì)算判據(jù)的最后一條，也正是 Bruce Kane 提出的量子計(jì)算方案中關(guān)鍵的一環(huán)。來(lái)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(gè)工作為大規(guī)模量子計(jì)算芯片奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是一個(gè)里程碑式的工作?！痹摮晒苑饷嫖恼掳l(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(jì)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(jí)別的精度將兩個(gè)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(gè)高速兩比特門——800 皮秒的根號(hào)交換門，并實(shí)現(xiàn)了利用全統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)方法對(duì)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(jì)算，為大規(guī)?？蓴U(kuò)展的硅基量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

師從潘建偉院士和陸朝陽(yáng)教授

多年來(lái)，賀煜在量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了系列開(kāi)創(chuàng)性成果，用前沿量子技術(shù)操縱單個(gè)原子、電子和光子，在微觀世界構(gòu)建未來(lái)量子信息技術(shù)平臺(tái)?；仡櫵那髮W(xué)之路，用“根正苗紅”來(lái)形容再合適不過(guò)。 自本科起，賀煜就在中科大這片量子的土壤中成長(zhǎng)，并以優(yōu)異的成績(jī)保送本校碩博連讀。期間在導(dǎo)師潘建偉院士和陸朝陽(yáng)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(kāi)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(jì)算的方向，首先是興趣愛(ài)好，是自己對(duì)于微觀世界的好奇心和對(duì)量子世界的喜愛(ài)所驅(qū)動(dòng)，其次是因?yàn)榱孔佑?jì)算是一個(gè)將改變?nèi)祟愇磥?lái)的前沿科技，尤其是硅量子計(jì)算芯片具有很大的產(chǎn)業(yè)潛力，希望通過(guò)自己的耕耘為社會(huì)貢獻(xiàn)一份力量，為科學(xué)發(fā)展做一份努力?！?/p>

2015 年以后，賀煜繼續(xù)在陸朝陽(yáng)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(shí)世界最高光子數(shù)玻色抽樣——證明了量子計(jì)算機(jī)對(duì)于第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī) ENIAC 的超越和第一臺(tái)晶體管計(jì)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(guó)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(gè)：一是基于砷化鎵量子點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的高亮度單光子源；二是設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的案例?；疖噭倓偝霈F(xiàn)時(shí)比馬車還慢，飛機(jī)剛剛問(wèn)世時(shí)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(jì)算機(jī)從理論上來(lái)說(shuō)，會(huì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快很多，是基于量子比特運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。通過(guò)量子物理學(xué)中的兩個(gè)奇異的原理——“糾纏（entanglement）”和“疊加（superposition）”，量子計(jì)算機(jī)能以指數(shù)形式擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的處理速度。

著眼未來(lái)，布局固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)

從根本上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)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?。隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì) 2050 年左右將達(dá)到每年 3000 億美元的營(yíng)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(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史，世界上的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)是 ENIAC，它生于第二次世界大戰(zhàn)，主要任務(wù)是計(jì)算彈道，是一臺(tái)軍用計(jì)算機(jī)。而計(jì)算機(jī)的全面普及其實(shí)與商業(yè)計(jì)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(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)也沿著這一條“老路”發(fā)展呢？這也是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。賀煜認(rèn)為，量子計(jì)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(jì)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(kāi)發(fā)了一整套全新的單光子頻率比特控制和測(cè)量方案，驗(yàn)證了單個(gè)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(lái)的研究方向，賀煜表示：“根據(jù)硅量子計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)，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(jì)算團(tuán)隊(duì)，研究硅基量子計(jì)算芯片和量子計(jì)算，從根本問(wèn)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(duì)接，為將來(lái)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(jì)算重要突破，成功實(shí)現(xiàn)單原子直寫的量子計(jì)算芯片｜專訪

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