日前锗与量子通讯，《自然》刊登了3篇关于硅基量子估算重大突破的论文，但是联合作为当期封面，甚是罕见。
研究人员首次完成了硅基量子估算两比特门保真度超99%的突破，也就是说，每100次操作发生的错误多于一次。至关重要的是，3项研究都超过了这个关键阀值——这使基于硅量子位的量子计算机成为一个可行的命题，实际制造和应用小型硅量子处理器的“最后一公里”正在被打通。
3篇论文分别来自英国代尔夫特理工学院与英国应用科学研究组织的合作团队、日本理物理研究所和新南威尔士学院团队。在德国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》就此对他进行了采访。
领到“资格准入”
与离子阱和超导材料等其他实现量子估算的路线相比，半导体量子（硅基量子）似乎拥有与现有半导体集成芯片工艺兼容、稳定性更好、可扩充性更强等优势，但因为研究起步慢、面临退相干以及保真度不足等技术困局，也遭到了不少指责。
“我们的实验结果相当于打破了这些指责。”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，理论上必须保证估算上单比特门和两比特门保真度都低于99%。其中，两比特门的保真度仍然以来是很大的难点。
为领到这一草鱼跃龙门式的保真度“资格准入”，薛潇所在团队从提纯材料降低核载流子影响、实现双量子比特间互相作用的精准控制切入。“人们指责哪些，我们就去攻破哪些。”薛潇说。
大概从2010年开始，为了降低核载流子影响，大量实验室开始从多晶硅转向硅。从自然界中直接提取的硅有硅28/29/30三种稳定的核素，其中硅28和硅30是没有核载流子的。硅29其实有核载流子，但浓度仅占5%。即使这么，虽然还是不够，如何进一步降低核载流子的影响呢？
薛潇所在团队想到了提纯——将自然界中的硅29剔除，升级成以核载流子为0的硅28为主的硅基材料。据此，她们最终完成了相干时间的数目级的提高：从多晶硅到自然硅，相干时间提高了两个数目级；从自然硅到纯化硅，相干时间又提高了两个数目级。这促使硅基量子实现了对其他路线量子估算相干时间的超越。
在攻破材料关卡后，另一个难点是控制两个量子比特间互相作用。薛潇所在团队使用由硅和硅锗合金二维电子气产生的材料，通过门电极创造了一个两比特门系统，不断探求电子的互相作用、耦合硬度以及环境参数，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。该技术可以在测量保真度的基础上，完整标定实验中系统的偏差。“知道了每次的偏差在哪里锗与量子通讯，才会去进一步矫治它们。”薛潇说。
下一步，“从双到多”
3篇论文的独立研究成果均显示，这场小型的研制大赛中，硅量子估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。
回顾我国量子估算的发展历程，以中国科学技术学院及由该校相关团队孵化的“本源量子”等为代表，正在产生我国硅基量子估算的主心骨。她们近日也在硅基半导体技术方面取得重要进展，相关研究成果“硅基载流子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量做起来。“只有提高了比特数，能够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%跨过99%的门槛，是对化学系统的挑战；而从两比特到多比特乃至百万量子比特级别的制备，则更多是工程工艺层面的挑战。薛潇觉得，硅基量子估算下一步的实用前景，须要更多工业企业的关注与技术投入。
假如顺利，已纵横传统估算领域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，其成熟技术的优越性也将更加突出。
目前，美国科技大鳄微软、微软、IBM、英特尔，国外大鳄阿里巴巴、腾讯、百度、华为等已投入巨额研制资金，对不同量子估算技术路线“押注”，力图率先孵化出更具实用价值的量子计算机。硅基量子估算的发展，或将让这一赛道再度洗牌。
未曾停下探求量子的步伐
作为团队中惟一的华人，薛潇在研究的实验层面发挥了重要作用，但过程却非一帆风顺，甚至一度中断了半年。他没有舍弃，而是主动寻求“外援”。薛潇还在线下实验和线上远程操控中频频切换，常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”程序，让实验不间断进行。
有压力吗？有。要干下去吗？要。2021年4月，团队总算取得了实验成果。薛潇觉得，导师的指引和代尔夫特理工学院多年建设上去的实验环境给了他很大支持。
薛潇的导师是量子估算领域的领军人物之一，多年精耕帮助他在今年获得了德国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，甚少用“唯成果论”给中学生制造压力。
薛潇专科就读于中国科学技术学院，大一期间出于对量子领域的兴趣，申请从工程热学转专业到数学学。那时他常常去听中学“大牛”的数学课，也在校区环境的浸润下，渐渐坚定了走量子估算的公路。
结业后，他在复旦学院半导体实验室进行硕士阶段的学习，对发展前景一度倍感“迷茫”。为了将硅量子估算的实验继续下去，他申请到英国代尔夫特理工学院读博。目前，他仍留在该校进行博士后研究，继续硅基量子的下一步实验。