在量子芯片間實(shí)現(xiàn)“無縫”連接
——記南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院副研究員鐘有鵬

李明麗

鐘有鵬

量子比特是量子計(jì)算機(jī)最基本的信息單元，不同于電子計(jì)算機(jī)的基本信息單元比特只能是0或1，量子比特可以同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)，所以其計(jì)算性能更強(qiáng)大，而且增加量子比特?cái)?shù)可使量子計(jì)算機(jī)的性能呈指數(shù)級提升。

目前，世界各地的科研團(tuán)隊(duì)正各出奇招研制實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。超導(dǎo)量子計(jì)算作為最有希望實(shí)現(xiàn)可拓展量子計(jì)算的候選者之一，其核心目標(biāo)是同步增加所集成的量子比特?cái)?shù)目及提升超導(dǎo)量子比特性能，從而能夠高精度操控更多的量子比特，實(shí)現(xiàn)對特定問題處理速度上的指數(shù)加速，并最終應(yīng)用于實(shí)際問題中。

近年來，超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展迅速，可操作量子比特?cái)?shù)目有望在未來幾年擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)以上。然而，超導(dǎo)量子比特尺寸較大，且每個(gè)比特需要專用射頻控制線路，因此隨著比特?cái)?shù)量的增加，在單芯片上集成更多比特變得越來越困難。分布式量子計(jì)算方案，通過把多個(gè)量子芯片互連的方式構(gòu)建大規(guī)模量子處理器，可望突破單芯片集成的困境，但目前芯片間的高性能互連是個(gè)技術(shù)瓶頸。挑戰(zhàn)世界級難題，持續(xù)多年進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院副研究員鐘有鵬已取得多項(xiàng)重要突破性成果。

互連達(dá)到單芯片水平

2023年2月16日，鐘有鵬作為通信作者的研究成果以《模塊化超導(dǎo)量子處理器的低損耗互連》為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然電子學(xué)》（Nature Electronics）上。

在這項(xiàng)研究中，鐘有鵬與團(tuán)隊(duì)成員一起實(shí)現(xiàn)了一系列技術(shù)創(chuàng)新。他們研發(fā)了超低損耗且易于鍵合連接的超導(dǎo)同軸線，并在量子芯片上集成了阻抗轉(zhuǎn)換器以降低量子芯片連接界面的損耗。通過這些技術(shù)創(chuàng)新，超高性能的超導(dǎo)量子芯片互連得以實(shí)現(xiàn)。利用低損耗芯片互連技術(shù)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了5個(gè)量子芯片的互連，其中每個(gè)芯片上集成4個(gè)量子比特，構(gòu)成一個(gè)20比特的分布式量子處理器，實(shí)現(xiàn)跨芯片量子態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑冗_(dá)到99%，為超導(dǎo)量子處理器的大規(guī)模擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

基于此分布式量子處理器，研究團(tuán)隊(duì)還展示了跨芯片多比特糾纏態(tài)的制備，實(shí)現(xiàn)了跨芯片分布的4比特格林伯格-霍恩-澤林格（GHZ）糾纏態(tài)，其保真度達(dá)到92%，達(dá)到單芯片上制備同類多比特糾纏態(tài)的水平。這是分布式超導(dǎo)量子處理器第一次在量子糾纏態(tài)制備上達(dá)到單芯片的性能，極具里程碑意義。因研究對大規(guī)模、可擴(kuò)展分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的建立具有基礎(chǔ)性意義，2023年2月27日，這項(xiàng)研究被《自然》（Nature）以《對電纜的探索使量子網(wǎng)絡(luò)煥發(fā)活力》（Quest for a cable brings a quantum network to life）作為亮點(diǎn)工作進(jìn)行報(bào)道。

對鐘有鵬來說，這已不是研究成果第一次被國際主流期刊關(guān)注。在美國芝加哥大學(xué)普利茨克分子工程學(xué)院求學(xué)時(shí)，他作為論文第一作者就已在超導(dǎo)量子網(wǎng)絡(luò)研究上取得進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)超導(dǎo)量子芯片間的多比特糾纏，2021年成果在線發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

在這一研究中，鐘有鵬用一根一米長的鈮鈦合金超導(dǎo)同軸線把兩個(gè)超導(dǎo)量子芯片連接起來，每個(gè)芯片上集成了3個(gè)超導(dǎo)量子比特。通過直接鍵合連接芯片到同軸線，芯片間的連接通道性能得到極大提升。在高性能連接的基礎(chǔ)上，他和團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了3比特GHZ態(tài)從一個(gè)超導(dǎo)量子芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)芯片，GHZ態(tài)保真度達(dá)到0.656。研究還進(jìn)一步把兩個(gè)超導(dǎo)量子芯片的量子比特全部糾纏起來，制備了一個(gè)跨芯片分布的6比特GHZ態(tài)，其保真度達(dá)到0.722。研究結(jié)果表明，通過提高超導(dǎo)芯片間連接的相干性可以實(shí)現(xiàn)高保真度的芯片間量子態(tài)傳輸，甚至有望達(dá)到單芯片上態(tài)傳輸?shù)男阅?，?shí)現(xiàn)多個(gè)超導(dǎo)芯片的“無縫”連接，使構(gòu)建大規(guī)模分布式超導(dǎo)量子處理器成為可能。

鐘有鵬的研究被《自然》作為亮點(diǎn)工作進(jìn)行了報(bào)道

從讀博士開始，鐘有鵬就在為實(shí)現(xiàn)量子芯片間的高性能互連做著持續(xù)探索，并接連取得突破性進(jìn)展。2018年，國際同行首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)量子模塊的確定性量子態(tài)傳輸，保真度只有80%左右；與此同時(shí)，鐘有鵬首先在單芯片上進(jìn)行了新的量子互連方案的探索，量子態(tài)傳輸保真度達(dá)到94%，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·物理》（Nature Physics）；在新方案的基礎(chǔ)上，鐘有鵬博士后期間實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子芯片互連，量子態(tài)傳輸保真度達(dá)到91%，2021年，相關(guān)成果在《自然》發(fā)表。實(shí)驗(yàn)完成后，鐘有鵬毫不猶豫地回到祖國的懷抱，經(jīng)過近兩年的技術(shù)攻關(guān)，最近他取得了新的突破，量子芯片互連的品質(zhì)因子提高了一個(gè)數(shù)量級，信道相干時(shí)間達(dá)到單芯片上量子比特的水平，使得量子芯片可以“無縫”連接起來。

“芯片互連達(dá)到單芯片水平，意味著我們解決了制約芯片高性能互連的薄弱點(diǎn)，就像黏合磚塊建高樓大廈，過去是用泥巴，現(xiàn)在我們做出了水泥，可以把磚塊黏合得更牢，大廈建得更穩(wěn)固、高大。最近谷歌、IBM發(fā)布了他們的長遠(yuǎn)技術(shù)路線圖，目標(biāo)是構(gòu)建達(dá)到100萬個(gè)量子比特的量子處理器，雖然目前還沒有發(fā)布具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，沒有給出‘水泥的配方’，但是大家都認(rèn)為要建‘一棟樓’，需要把很多‘磚塊’壘起來。我們現(xiàn)在先把‘水泥’做出來了，并告訴大家通過這樣的方式可以做到很高保真度的芯片互連，以此可能構(gòu)建大規(guī)模的量子處理器?！辩娪轩i介紹。

與時(shí)代節(jié)奏合拍

90后青年學(xué)者攻克世界級難題，對很多人來說這是極具挑戰(zhàn)的事情。但對鐘有鵬，這似乎并不足為奇，因?yàn)樵诤茉鐣r(shí)，他就已展現(xiàn)出很大的科研潛力。

大學(xué)時(shí)期，鐘有鵬曾加入浙江大學(xué)物理系新成立的超導(dǎo)量子器件小組，他一邊完成課業(yè)，一邊開展超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究。大四時(shí)，鐘有鵬就以第二作者身份在國際期刊《應(yīng)用物理快報(bào)》（Applied Physics Letters）上發(fā)表論文，同時(shí)他作為第一作者的另一項(xiàng)重要成果還發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。在這項(xiàng)研究中，鐘有鵬與合作者將有3個(gè)人工原子的超導(dǎo)量子芯片降溫到接近絕對零度的超低溫下，使用精密微波信號調(diào)控，采用量子弱測量和反坍塌技術(shù)，成功將量子比特的有效能量弛豫時(shí)間延長3倍。這一工作使量子信息能在芯片上更好地保存，存儲時(shí)間甚至可以超越器件的物理極限，從而為量子計(jì)算服務(wù)。這是世界上首次在量子信息處理中實(shí)現(xiàn)對本征能量弛豫造成誤差的抑制。

鐘有鵬的研究成果被收錄在他的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中，也入選了“浙江大學(xué)2013屆百篇特優(yōu)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)”。大學(xué)畢業(yè)后，他選擇留在超導(dǎo)量子器件小組繼續(xù)深造。因在超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得的出色研究成果，在研究生一年級時(shí)，他獲得用以激發(fā)研究生參與高水平研究工作熱情為目的的量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心（國家2011計(jì)劃）2013年度杰出研究生獎。

鐘有鵬從未想過自己初次接觸超導(dǎo)量子計(jì)算研究就能嶄露頭角，因?yàn)檫M(jìn)入這一領(lǐng)域?qū)λ允且粋€(gè)隨機(jī)的選擇。本科入學(xué)時(shí)，鐘有鵬原本入讀的是丘成桐數(shù)學(xué)班，但經(jīng)過兩年學(xué)習(xí)，他意識到自己對基礎(chǔ)數(shù)學(xué)缺乏濃厚興趣，轉(zhuǎn)而到物理系學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)正值潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的科研取得重大突破，新聞媒體頻頻報(bào)道，這吸引鐘有鵬開始關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。而浙江大學(xué)在量子研究上做的新布局，則為他進(jìn)入此領(lǐng)域提供了機(jī)會。如此，在偶然的機(jī)緣下，鐘有鵬與量子結(jié)緣。

鐘有鵬說自己是幸運(yùn)的，機(jī)緣巧合做出的人生選擇，無意中與時(shí)代的發(fā)展節(jié)奏合拍。決定做量子研究時(shí)，對它的未來，鐘有鵬并不知曉，但現(xiàn)在它已成為一項(xiàng)很熱的研究。做分布式量子計(jì)算研究也如此，鐘有鵬博士就讀的美國芝加哥大學(xué)普利茨克分子工程學(xué)院是一個(gè)新成立的機(jī)構(gòu)，專注做國際前沿課題研究，他的博士課題是在單芯片上驗(yàn)證新的量子互連模型，博士后階段開始做兩個(gè)芯片的互連研究，如今分布式量子計(jì)算研究如火如荼，鐘有鵬算是最早進(jìn)入這一領(lǐng)域的科研人員之一。

鐘有鵬喜歡工程化研究，更喜歡真正動手去做事情，無論是在浙江大學(xué)還是在美國芝加哥大學(xué)，導(dǎo)師都為他提供了自由探索的空間，這促使鐘有鵬常有一些創(chuàng)新想法產(chǎn)生。研發(fā)超低損耗且易于鍵合連接的超導(dǎo)同軸線就源于他不一樣的思考方式。國際上通行用鈮鈦合金超導(dǎo)同軸線做量子芯片互連，但鐘有鵬感到行業(yè)里通用的東西可能并不是最好的。“因?yàn)槠款i在那里，當(dāng)時(shí)的保真度大家只能做到80%，想要突破，一定要打破常規(guī)，做不一樣的東西。”鐘有鵬說，“我們可以用更便宜、更好用的材料做超導(dǎo)同軸線?！?/p>

鐘有鵬想到的替代材料是鋁，但將材料真正落實(shí)成易于鍵合連接的超導(dǎo)同軸線并非易事。鋁材質(zhì)軟，又不好焊接，日常生活中使用率低，這意味著市場上沒有現(xiàn)成的鋁材質(zhì)超導(dǎo)同軸線產(chǎn)品，只好找廠家定制生產(chǎn)。“當(dāng)時(shí)在國外曾聯(lián)系過很多廠家，因?yàn)槭袌鲂枨罅可?，沒人愿意專門幫你定制，研究無法推進(jìn)。很幸運(yùn)，回國后，問題解決了，中國是世界工廠，工業(yè)生產(chǎn)能力齊備，有很多廠家愿意幫忙生產(chǎn)。在國內(nèi)做科研其實(shí)有許多優(yōu)勢，需要我們?nèi)グl(fā)掘利用好?！辩娪轩i說。

看似一路順?biāo)斓溺娪轩i，對“科研無坦途”其實(shí)有很深的體會，因?yàn)樽隹蒲胁粌H要有好想法，還要落實(shí)，更要調(diào)整好心態(tài)。在美國讀博時(shí)，鐘有鵬就曾艱難地度過一次心理關(guān)隘。

做導(dǎo)師安排的博士研究課題時(shí)，鐘有鵬知道國際上有好幾個(gè)大團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手研究相關(guān)課題有一段時(shí)間了，而當(dāng)時(shí)他的導(dǎo)師剛搬到芝加哥大學(xué)，實(shí)驗(yàn)室才剛剛開始搭建。因?yàn)闆]信心跟得上同行的步伐，鐘有鵬一開始有畏難情緒，不樂意做這個(gè)課題。當(dāng)看到這些團(tuán)隊(duì)陸續(xù)有成果產(chǎn)出后，鐘有鵬內(nèi)心更傾向于放棄做這項(xiàng)研究?！拔胰フ覍?dǎo)師聊，他覺得我心態(tài)可能太過功利了。后來我慢慢調(diào)整心態(tài)，告訴自己不要想太多，做好自己的事情。最后，我雖然起步晚，但做出來的效果比他們好很多。老師也很開心，說‘有鵬你做得很好，你現(xiàn)在可以考慮提前畢業(yè)了’。所以我是普利茨克分子工程學(xué)院第一個(gè)提前畢業(yè)的博士生?！辩娪轩i說，“相當(dāng)于百米賽跑，人家快跑到終點(diǎn)了，你才開始跑，心理上落差很大。但現(xiàn)在回頭看，競爭并不是壞事，也不必計(jì)較那么多，如果這個(gè)事情很有意義，就應(yīng)該腳踏實(shí)地去做，而且良性競爭也能促進(jìn)科研發(fā)展。所以現(xiàn)在我知道有一些同行很快要跟我同臺競爭了，但我心態(tài)很平和，這可以促使我更好地向前走?！?/p>

在創(chuàng)新沃土上耕耘

從芝加哥大學(xué)博士畢業(yè)后，鐘有鵬曾有機(jī)會去谷歌等國際一流量子團(tuán)隊(duì)工作，但他認(rèn)為回中國工作是更好的選擇。深圳國際量子研究院聚焦國際量子科技0到1的重大原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，搶占量子計(jì)算核心技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)、硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算以及固態(tài)量子存儲方向具有不可替代的區(qū)域優(yōu)勢。當(dāng)時(shí)在疫情防控期間與深圳量子院遠(yuǎn)程完成面試后，鐘有鵬就直接接受了工作，毅然購買機(jī)票回國。這幾年他在深圳工作、生活后，證明當(dāng)時(shí)的堅(jiān)定選擇是正確的。

鐘有鵬說，深圳商業(yè)氛圍比較濃，但是最近幾年深圳變得越來越重視尖端科技領(lǐng)域。在俞大鵬院士團(tuán)隊(duì)里，鐘有鵬已經(jīng)在許多研究中取得重大突破。除發(fā)表在《自然電子學(xué)》的工作外，近期他與清華大學(xué)的段路明教授團(tuán)隊(duì)合作取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了64米距離連接的兩個(gè)量子芯片間的確定性量子隱形傳態(tài)。除此，還和深圳大學(xué)李朝紅教授團(tuán)隊(duì)在相互作用誘導(dǎo)的拓?fù)浔闷址矫嫒〉眯峦黄啤?/p>

鐘有鵬在實(shí)驗(yàn)室

“像我這樣的年輕人，在國外是幾乎不可能得到這么大力支持的。我們目前工作進(jìn)展很快，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)很努力，更重要的是深圳市政府對量子研究給予很多支持。我特別感謝俞院士，他對我們超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)很關(guān)心，給了我們極大支持?！辩娪轩i說。

談到未來工作計(jì)劃，鐘有鵬希望繼續(xù)在分布式量子計(jì)算技術(shù)研究上做進(jìn)一步探索，更希望在自己開發(fā)出來的量子芯片上做一些開創(chuàng)性的量子模擬研究。

在深圳國際量子研究院的超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室里，脈管制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出巨大噪聲。“別人都嫌這種噪聲吵，我們卻管它叫‘量子音樂’，覺得很好聽?！辩娪轩i笑著說。目前，鐘有鵬一直是爭分奪秒在工作，不僅因?yàn)榱孔佑?jì)算技術(shù)研究領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)關(guān)鍵期，技術(shù)更新迭代非?？欤匾氖沁@完全是他的興趣愛好所在。