“过去两年，完成两比特门 99% 的保真度一直是该行业最重要的实验。全世界有标准开展该实验的研究组，都是在从业这方面的科学研究，可以说这就是一场公布的科学研究追逐赛。也就是说，假如自始至终没法做到 99% 的两比特门保真度，那麼这一系统软件也就沒有持续科学研究的必需。”很多年前选高考填报志愿时，薛潇曾在金融业、电子计算机和社会科学中间彷徨过。现如今，手握着数篇毕业论文的他，确实未负当时的挑选。日前，他完成了以上“99% 的总体目标”。
1 月 19 日，Nature封面图毕业论文三连射，且全是量子科技主题风格。而薛潇恰好是在其中一篇毕业论文的创作者[1]，毕业论文题写《自旋量子位超越表层编码阀值的量子科技逻辑性》（Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold）。
他表明，本次工作中解决了一个行业内长时间存在的发展瓶颈：根据半导体材料中电子器件自旋的量子比特即 spin qubit，其两比特门 （two-qubit gate）的保真度一直以来都非常低。
对比传统式电子计算机应用的主要逻辑性企业比特，量子比特更易于遭受自然环境噪声的危害，进而造成计算误差。而要研制开发一台有具体运用意义的量子计算机，一个必需的技术水平是量子科技改错。
殊不知量子科技改错对保真度的规定极高，现阶段最有前途的改错技术性称为表面编号（Surface code），它规定在实行量子计算机的历程中，每一步实际操作包括比特复位、单比特门、两比特门、及其比特信息内容载入的保真度都必须高过 99%。
因而 99% 的保真度也称之为容错机制门坎。自旋量子比特的复位、单比特门、及其载入，都相对性易于做到 99% 的保真度，在其中一些乃至已逼近 99.99%。
殊不知过去，只是仅有几篇毕业论文各自报导了 92% 和 98% 的两比特门保真度[2]，但是在科学研究上 98% 间距 99% 实际上相距很远。
在学术界，半导体材料自旋量子比特的探讨已进行十多年。其基础的制取方法是从微纳生产加工，在半导体材料的表层制做纳米技术限度的金属电极，根据增加工作电压在原材料內部产生一个“电势阱”，将单独电子器件拘束之中。
那样的纳米构造称之为量子点技术（quantum dot），与传统式光子计算机所采用的电子管构造拥有非常高的相似之处[3]。那样的相似之处促使根据半导体材料的量子计算机备受关注，尤其是其产品化路面。
现阶段intel、丹麦电子光学研究所（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）、IBM 等业界巨匠，都是在科学研究这一方位。
在其中，intel和 IMEC 现阶段都早已运用优秀集成电路工艺在 300mm 规格的圆晶上保持了规模性的元器件制取。一旦这一系统软件被证实行得通，那麼工业领域就能将传统化的集成电路工艺立即运用到量子芯片上。
比较之下，别的物理学系统软件例如正离子阱、线形电子光学，都和目前的优秀集成电路工艺兼容问题。对于高温超导量子比特，尽管可以采用相似的加工工艺，但其量子比特的规格在mm等级，几乎不太可能将上百万量子比特集成化在一个微限度处理芯片上。
而由量子点技术界定的自旋量子比特均值规格在 100 纳米技术上下，这促使其在扩展性，及其将来与别的不一样功用的处理芯片的集成化都具备巨大优点。
对于前边所提及的“证实一个系统软件行得通”，一个主要的指标值就是这个系统软件的保真度。而在全部使用中，两比特门的保真度较难提升，这一点对全部物理学系统软件全是创立的。
薛潇强调，一直以来半导体材料自旋量子比特不可多得的宣传策划方案，便是有益于集成化和拓展，但其两比特门的保真度却进度迟缓，以致于该角度的可行性分析曾遭到怀疑。
而此次薛潇的实验证实了单比特门和两比特门的保真度所有都平稳地高过99.5%，立即提升了先前的限定。
曾认证两比特门的保真度做到92%
先前，薛潇在 2018-2019 年依次完成了一系列的硅基两比特实验，在其中最有象征性的实验是认证了两比特门的保真度做到 92%[2]。
可是当初的量子比特品质并不太好，关键受制于原材料特性。大自然的硅元素包括 Si-28；Si-29；Si-30 三种放射性核素。在其中 Si-29 的原子带上核自旋，会对用以编号量子比特的电子器件自旋导致影响。
在 2019 今年初，薛潇在西班牙代尔夫特理工学院的朋友佐丹奴·斯卡普奇（Giordano Scappucci）在实验房间内，取得成功改善了硅衬底的特性，包括应用了放射性核素提纯的光伏材料，即去除开绝大部分的 Si-29 分子。
来源于西班牙我国基础科学研究所（TNO，Netherlands Organisation for Applied Scientific Research）的朋友诺达尔·萨姆哈拉泽（Nodar Samkharadze）制取了这方面两比特的试品。
这时，在老师利文·范德西彭（Lieven Vandersypen）的提议下，薛潇在 2020 年再度逐渐两比特门的科学研究。此次添加的也有半导体材料自旋量子比特层面十分优异的青年人基础理论科学家马克西米连·罗斯（Maximilian Russ）也是本次毕业论文的第二创作者。
科学研究中，薛潇等人从实验和基础理论两层面，对这两个自旋量子比特开展了完善的表现和模型，并对实验中很有可能对量子计算机导致不正确的全部根源例如试品中的自然环境噪声和外界自动控制系统开展全方位把握。最后在 2021 年的今年初，获得了平稳的实验結果。
对密度泛函理论和物理学开展仿真模拟，会是媒介的“第一个完善运用”
现阶段广泛认为，在近几年来内，对密度泛函理论和物理学开展仿真模拟，会是媒介的“第一个完善运用”。
此次毕业论文所呈现的最后一个实验，是薛潇和精英团队运用高保真度的量子科技门实际操作，对氢分子的激发态动能谱开展了量子科技仿真模拟。
除此之外，薛潇的朋友以前发布在Nature上的另一篇毕业论文[4]，展现了观察到 Nagaoka 磁铁态的成效。这也是一种由日本理论物理学父母冈（Nagaoka）所指出的物理变化，可是在自然中现阶段没法观察。
而薛潇所属实验室，在人力制取的量子点技术列阵中取得成功观察到了这一状况。
而伴随着量子比特数量的提升，本次成效有希望在未来对气侯开展仿真模拟，对城市公共交通开展提升，及其迅速破译密码等运用都能够完成。但是这种预估难以在未来的5-10年之内完成。
说到这儿他补给称：“说个题外话，我本人倒是很好奇是不是可以短时间把量子计算机运用到挖币和提升云端游戏的感受等层面。”
他还表明：“本次工作中最后可以进行，尤其要感激文章内容第二创作者马克西米连·罗斯及其第三创作者诺达尔·萨姆哈拉泽。前面一种在三年前以理论物理学博士研究生的真实身份加入团队实验室，关键承担对实验开展基础理论适用。基础理论学者和实验研究者实际上存有非常大隔阂，这在一开始也给彼此协作导致一些艰难。可是大家一直积极主动地为另一方学习培训。到了中后期反而心有灵犀十足。萨姆哈拉泽现阶段在 TNO 任研究者。他关键承担 Quantum Inspire 的新项目[5]。该项目致力于将自旋量子比特放到云空间上，让本地用户可借助互联网技术立即实际操作。”
最初，萨姆哈拉泽制取该试品是要用以 Quantum Inspire，但她们精英团队当时沒有充足有经历的人来开展实验调节。因此，他与薛潇逐渐协作，并向后面一种给予了试品，薛潇则向她们意见反馈调节結果和工作经验。最后除开协作成功本次毕业论文，也按期将另一块几乎一样的量子芯片放上云空间。
除此之外，此次毕业论文科学研究中所采用的处理芯片，也被用以以前一篇文章中，那篇毕业论文的题写《基于 CMOS 的硅量子电路低温控制》（CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits）[6]，并于 2021 年 5 月发布。在哪篇毕业论文中，薛潇等人基本认证了将传统化的操纵/载入的仪器设备和量子比特，所有集成化起來的概率。
针对后面方案，他表明，99% 的保真度是量子科技改错所需求的，因而下一步当然是开展量子科技改错的实验。最先必须充足数量的量子比特；次之必须在进行高保真度单/双量子比特门的与此同时，保证高保真度的复位和载入；最终必须一个迅速的反馈机制，依据实验中所产生的不正确，即时开展改正。
备受中国科大量子信息科学研究的危害
据了解，2014 年，薛潇大学本科毕业于我国科技高校物理系。他说道：“科大一直以来全是全国各地最好是的量子信息科学研究‘福地’，也是全世界量子信息科学研究整体实力较强的科研机构之一。早在高考后担心于志愿填报时，我还在科大网上论坛看到了量子计算机的探讨。那时候尽管几乎彻底不明白，但在潜意识中里觉得自身很有可能会对其造成兴趣爱好，而其实我本来和爸爸妈妈探讨的是去学习经济发展或电子计算机等较为赚钱的专业方位。”
他追忆称，在科大念书时潜移默化得到了许多危害。那时候，科大早已在多光子纠缠、一百公里级量子科技密匙派发等作出提升。量子卫星（墨子号）的工程也早已打开。
当时的讲课教师许多全是立即从业量子信息科学研究的生物学家。业余时间，他听说过多次“GDP”三位工程院院士 （郭光灿、杜江峰、潘建伟）的学术讨论，也参观考察过它们的实验室。
在大二时，他就选择要从业量子科技科学研究，以后曾在“九章”量子计算机实验领头人之一陆朝阳专家教授的实验室中“打了生抽”。
大学本科毕业后，薛潇曾在北京清华大学开展硕士环节的学习培训，直到 2016 年决策出国留学。2017 年，他添加西班牙代尔夫特理工学院利文·范德西彭专家教授的实验室修读博士研究生。
2020 年，其所属精英团队与amd公司协作，运用一个超低温操纵处理芯片完成了自旋量子比特的实际操作。这也是通往集成化量子芯片的一个里程碑式实验。说白了集成化量子芯片，便是将量子比特与传统的的电力学操纵及载入系统软件，集成化在同一个处理芯片上。文章内容最后于 2021 发布在Nature上[6]。
如今，薛潇顺利完成博士研究生论文，而且再次在利文·范德西彭实验室从业博后科学研究。针对自身现阶段的老师，他十分钦佩并详细介绍称：“利文·范德西彭在美国斯坦福考博士期内，运用液体分子结构的磁共振实验完成了全球第一个舒尔优化算法的实验认证[7]。”该优化算法可迅速将一个整数金额转化成2个质数的相乘，这也是许多当代登陆密码的基础数学。之后利文·范德西彭赶到代尔夫特理工学院，创建了半导体材料自旋量子比特的实验室，并完成了大部分在早期奠定自旋量子比特实验基础的工作，他也因为在半导体自旋量子计算中的贡献，于 2021 年获得了荷兰自然科学的最高奖 Spinoza Prize。
能有机会先后师从国内外量子巨擘，是薛潇的幸运，也是他努力的结果。这位来自山东省淄博市的 90 后青年，也正在考虑国内教职职位，他表示：“回国一直都是我众多选项中排在最前列的。当然这也取决于机会。”
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参考：
1、X.Xueet al., Nature601, 343 - 347 (2022)
2、X.Xueet al.,PRX9,021011 (2019)
3、Lieven Vandersypen, Mark Eriksson,Physics Today72, 8, 38 (2019)
4、J.P.Dehollain et al.,Nature579, 528–533 (2020)
5、https://www.quantum-inspire.com/
6、X.Xue et al.,Nature593, 205–210 (2021)
7、L.M.K.Vandersypen et al.,Nature414, 883–887 (2001)
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