在量子芯片间实现“无缝”连接

  量子比特是量子计算机最基本的信息单元，不同于电子计算机的基础信息单元比特只能是0或1，量子比特可以同时处于0和1的叠加态，所以其计算性能更强大，而且增加量子比特数可使量子计算机的性能呈指数级提升。

  目前，世界各地的科研团队正各出奇招研制实用的量子计算机。超导量子计算作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，其核心目标是同步增加所集成的量子比特数目及提升超导量子比特性能，从而能够高精度操控更多的量子比特，实现对特定问题处理速度上的指数加速，并最终应用于实际问题中。

  近年来，超导量子计算发展迅速，可操作量子比特数目有望在未来几年扩展到数千个以上。然而，超导量子比特尺寸较大，且每个比特需要专用射频控制线路，因此随着比特数量的增加，在单芯片上集成更多比特慢慢的变困难。分布式量子计算方案，通过把多个量子芯片互连的方式构建大规模量子处理器，可望突破单芯片集成的困境，但目前芯片间的高性能互连是个技术瓶颈。挑战世界级难题，持续多年进行技术攻坚，南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员钟有鹏已取得多项重要突破性成果。

  2023年2月16日，钟有鹏作为通信作者的研究成果以《模块化超导量子处理器的低损耗互连》为题发表在国际学术期刊《自然电子学》（Nature Electronics）上。

  在这项研究中，钟有鹏与小组成员一起实现了一系列技术创新。他们研发了超低损耗且易于键合连接的超导同轴线，并在量子芯片上集成了阻抗转换器以降低量子芯片连接界面的损耗。通过这一些技术创新，超高性能的超导量子芯片互连得以实现。利用低损耗芯片互连技术，团队实现了5个量子芯片的互连，其中每个芯片上集成4个量子比特，构成一个20比特的分布式量子处理器，实现跨芯片量子态传输的保线%，为超导量子处理器的大规模扩展奠定了基础。

  基于此分布式量子处理器，研究团队还展示了跨芯片多比特纠缠态的制备，实现了跨芯片分布的4比特格林伯格-霍恩-泽林格（GHZ）纠缠态，其保线%，达到单芯片上制备同类多比特纠缠态的水平。这是分布式超导量子处理器第一次在量子纠缠态制备上达到单芯片的性能，极具里程碑意义。因研究对大规模、可扩展分布式量子计算网络的建立具有基础性意义，2023年2月27日，这项研究被《自然》（Nature）以《对电缆的探索使量子网络焕发活力》（Quest for a cable brings a quantum network to life）作为亮点工作进行报道。

  对钟有鹏来说，这已不是研究成果第一次被国际主流期刊关注。在美国芝加哥大学普利茨克分子工程学院求学时，他作为论文第一作者就已在超导量子网络研究上取得进展，首次实现了两个超导量子芯片间的多比特纠缠，2021年成果在线发表于《自然》（Nature）杂志。

  在这一研究中，钟有鹏用一根一米长的铌钛合金超导同轴线把两个超导量子芯片连接起来，每个芯片上集成了3个超导量子比特。通过直接键合连接芯片到同轴线，芯片间的连接通道性能得到极大提升。在高性能连接的基础上，他和团队首次实现了3比特GHZ态从一个超导量子芯片传输到另一个芯片，GHZ态保线。研究还进一步把两个超导量子芯片的量子比特全部纠缠起来，制备了一个跨芯片分布的6比特GHZ态，其保线。研究根据结果得出，通过提高超导芯片间连接的相干性能轻松实现高保真度的芯片间量子态传输，甚至有望达到单芯片上态传输的性能，实现多个超导芯片的“无缝”连接，使构建大规模分布式超导量子处理器成为可能。

  从读博士开始，钟有鹏就在为实现量子芯片间的高性能互连做着持续探索，并接连取得突破性进展。2018年，国际同行首次实现了两个量子模块的确定性量子态传输，保线%左右；与此同时，钟有鹏首先在单芯片上进行了新的量子互连方案的探索，量子态传输保线%，相关成果发表在《自然·物理》（Nature Physics）；在新方案的基础上，钟有鹏博士后期间实现两个量子芯片互连，量子态传输保线年，相关成果在《自然》发表。实验完成后，钟有鹏毫不犹豫地回到祖国的怀抱，经过近两年的技术攻关，最近他取得了新的突破，量子芯片互连的品质因子提高了一个数量级，信道相干时间达到单芯片上量子比特的水平，使得量子芯片可以“无缝”连接起来。

  “芯片互连达到单芯片水平，说明我们解决了制约芯片高性能互连的薄弱点，就像黏合砖块建高楼大厦，过去是用泥巴，现在我们做出了水泥，可以把砖块黏合得更牢，大厦建得更稳固、高大。最近谷歌、IBM发布了他们的长远技术路线万个量子比特的量子处理器，虽然目前还没有发布具体的技术细节，没有给出‘水泥的配方’，但是大家都认为要建‘一栋楼’，需要把很多‘砖块’垒起来。我们现在先把‘水泥’做出来了，并对大家说通过这样的方式能做到很高保真度的芯片互连，以此可能构建大规模的量子处理器。”钟有鹏介绍。

  90后青年学者攻克世界级难题，这让很多人对钟有鹏的经历产生了兴趣。大学时期，钟有鹏曾加入浙江大学物理系新成立的超导量子器件小组，他一边完成课业，一边开展超导量子计算实验研究。大四时，钟有鹏就以第二作者身份在国际期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上发表论文，同时他作为第一作者的另一项重要成果还发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。在这项研究中，钟有鹏与合作者将有3个人工原子的超导量子芯片降温到接近绝对零度的超低温下，使用精密微波信号调控，采用量子弱测量和反坍塌技术，成功将量子比特的有效能量弛豫时间延长3倍。这一工作使量子信息能在芯片上更好地保存，存储时间还可以超越器件的物理极限，从而为量子计算服务。这是世界上首次在量子信息处理中实现对本征能量弛豫造成误差的抑制。

  钟有鹏的研究成果被收录在他的本科毕业设计中，也入选了“浙江大学2013届百篇特优本科毕业设计”。大学毕业后，他选择留在超导量子器件小组继续深造。因在超导量子计算实验领域取得的出色研究成果，在研究生一年级时，他获得用以激发研究生参与高水平研究工作热情为目的的量子信息与量子科技前沿协同创新中心（国家2011计划）2013年度杰出研究生奖。

  钟有鹏从未想过自己初次接触超导量子计算研究就能崭露头角，因为进入这一领域对他而言是一个随机的选择。本科入学时，钟有鹏原本入读的是丘成桐数学班，但经过两年学习，他想到自己对基础数学缺乏浓厚兴趣，转而到物理系学习。当时正值潘建伟院士团队的科研取得重大突破，新闻媒体频频报道，这吸引钟有鹏开始关注相关领域的研究进展。而浙江大学在量子研究上做的新布局，则为他进入此领域提供了机会。如此，在偶然的机缘下，钟有鹏与量子结缘。

  钟有鹏说自己是幸运的，阴差阳错做出的人生选择，无意中与时代的发展节奏合拍。决定做量子研究时，对它的未来，钟有鹏并不知晓，但现在它已成为一项很热的研究。做分布式量子计算研究也如此，钟有鹏博士就读的美国芝加哥大学普利茨克分子工程学院是一个新成立的机构，专注做国际前沿课题研究，他的博士课题是在单芯片上验证新的量子互连模型，博士后阶段开始做两个芯片的互连研究，如今分布式量子计算研究如火如荼，钟有鹏算是最早进入这一领域的科研人员之一。

  钟有鹏喜欢工程化研究，更喜欢真正动手去做事情，无论是在浙江大学还是在美国芝加哥大学，导师都为他提供了自由探索的空间，这促使钟有鹏常有一些创新想法产生。研发超低损耗且易于键合连接的超导同轴线就源于他不一样的思考方式。国际上通行用铌钛合金超导同轴线做量子芯片互连，但钟有鹏感到行业里通用的东西可能并不是最好的。“因为瓶颈在那里，当时的保线%，想要突破，一定要打破常规，做不一样的东西。”钟有鹏说，“我们大家可以用更便宜、更好用的材料做超导同轴线。”

  钟有鹏想到的替代材料是铝，但将材料真正落实成易于键合连接的超导同轴线并非易事。铝材质软，又不好焊接，日常生活中使用率低，这在某种程度上预示着市场上没有现成的铝材质超导同轴线产品，只好找厂家定制生产。“当时在国外曾联系过很多厂家，因为市场需求量少，没人愿意专门帮你定制，研究无法推进。很幸运，回国后，问题解决了，中国是世界工厂，工业生产能力齐备，有很多厂家愿意帮忙生产。在国内做科研其实有许多优势，要求我们去发掘利用好。”钟有鹏说。

  看似一路顺遂的钟有鹏，对“科研无坦途”其实有很深的体会，因为做科研不仅要有好想法，还要落实，更要调整好心态。在美国读博时，钟有鹏就曾艰难地度过一次心理关隘。

  做导师安排的博士研究课题时，钟有鹏知道国际上有好几个大团队已经着手研究相关课题有一段时间了，而当时他的导师刚搬到芝加哥大学，实验室才起步搭建。因为没信心跟得上同行的步伐，钟有鹏一开始有畏难情绪，不乐意做这个课题。当看到这些团队陆续有成果产出后，钟有鹏内心更倾向于放弃做这项研究。“我去找导师聊，他觉得我心态可能太过功利了。后来我慢慢调整心态，告诉自己别想太多，做好自己的事情。最后，我虽然起步晚，但做出来的效果比他们好很多。老师也很开心，说‘有鹏你做得很好，你现在可优先考虑提前毕业了’。所以我是普利茨克分子工程学院第一个提前毕业的博士生。”钟有鹏说，“相当于百米赛跑，人家快跑到终点了，你才开始跑，心理上落差很大。但现在回头看，竞争并不是坏事，也不必计较那么多，如果这个事情很有意义，就应该脚踏实地去做，而且良性竞争也能促进科研发展。所以现在我知道有一些同行很快要跟我同台竞争了，但我心态很平和，这可以促使我更好地向前走。”

  从芝加哥大学博士毕业后，钟有鹏曾有机会去谷歌等国际一流量子团队工作，但他认为回中国工作是更好的选择。深圳国际量子研究院聚焦国际量子科技0到1的重大原创发现，抢占量子计算核心技术战略制高点，在超导量子计算机、硅基半导体量子计算以及固态量子存储方向具有无法替代的区域优势。当时在疫情防控期间与深圳量子院远程完成面试后，钟有鹏就直接接受了工作，毅然购买机票回国。这几年他在深圳工作、生活后，证明当时的坚定选择是正确的。

  钟有鹏说，深圳商业氛围比较浓，但是最近几年深圳慢慢的变重视尖端科技领域。在俞大鹏院士团队里，钟有鹏已经在许多研究中取得重大突破。除发表在《自然电子学》的工作外，近期他与清华大学的段路明教授团队合作取得重要进展，实现了64米距离连接的两个量子芯片间的确定性量子隐形传态。除此，还和深圳大学李朝红教授团队在相互作用诱导的拓扑泵浦方面取得新突破。

  “像我这样的年轻人，在国外是几乎不可能得到这么大力支持的。我们目前工作进展很快，因为团队很努力，更重要的是深圳市政府对量子研究给予很多支持。我特别感谢俞院士，他对我们超导团队很关心，给了我们极大支持。”钟有鹏说。

  谈到未来工作规划，钟有鹏希望继续在分布式量子计算技术探讨研究上做进一步探索，更希望在自己开发出来的量子芯片上做一些开创性的量子模拟研究。

  在深圳国际量子研究院的超导量子计算实验室里，脉管制冷机运转发出巨大噪声。“别人都嫌这种噪声吵，我们却管它叫‘量子音乐’，觉得很好听。”钟有鹏笑着说。目前，钟有鹏一直是争分夺秒在工作，不仅因为量子计算技术探讨研究领域发展进入了一个关键期，技术更新迭代非常快，更重要的是这完全是他的兴趣爱好所在。