在量子芯片間實現“無縫”連接
——記南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員鐘有鵬

李明麗

鐘有鵬

量子比特是量子計算機最基本的信息單元，不同于電子計算機的基本信息單元比特只能是0或1，量子比特可以同時處于0和1的疊加態，所以其計算性能更強大，而且增加量子比特數可使量子計算機的性能呈指數級提升。

目前，世界各地的科研團隊正各出奇招研制實用的量子計算機。超導量子計算作為最有希望實現可拓展量子計算的候選者之一，其核心目標是同步增加所集成的量子比特數目及提升超導量子比特性能，從而能夠高精度操控更多的量子比特，實現對特定問題處理速度上的指數加速，并最終應用于實際問題中。

近年來，超導量子計算發展迅速，可操作量子比特數目有望在未來幾年擴展到數千個以上。然而，超導量子比特尺寸較大，且每個比特需要專用射頻控制線路，因此隨著比特數量的增加，在單芯片上集成更多比特變得越來越困難。分布式量子計算方案，通過把多個量子芯片互連的方式構建大規模量子處理器，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技術瓶頸。挑戰世界級難題，持續多年進行技術攻堅，南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員鐘有鵬已取得多項重要突破性成果。

互連達到單芯片水平

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

在這項研究中，鐘有鵬與團隊成員一起實現了一系列技術創新。他們研發了超低損耗且易于鍵合連接的超導同軸線，并在量子芯片上集成了阻抗轉換器以降低量子芯片連接界面的損耗。通過這些技術創新，超高性能的超導量子芯片互連得以實現。利用低損耗芯片互連技術，團隊實現了5個量子芯片的互連，其中每個芯片上集成4個量子比特，構成一個20比特的分布式量子處理器，實現跨芯片量子態傳輸的保真度達到99%，為超導量子處理器的大規模擴展奠定了基礎。

基于此分布式量子處理器，研究團隊還展示了跨芯片多比特糾纏態的制備，實現了跨芯片分布的4比特格林伯格-霍恩-澤林格（GHZ）糾纏態，其保真度達到92%，達到單芯片上制備同類多比特糾纏態的水平。這是分布式超導量子處理器第一次在量子糾纏態制備上達到單芯片的性能，極具里程碑意義。因研究對大規模、可擴展分布式量子計算網絡的建立具有基礎性意義，2023年2月27日，這項研究被《自然》（Nature）以《對電纜的探索使量子網絡煥發活力》（Quest for a cable brings a quantum network to life）作為亮點工作進行報道。

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注。在美國芝加哥大學普利茨克分子工程學院求學時，他作為論文第一作者就已在超導量子網絡研究上取得進展，首次實現了兩個超導量子芯片間的多比特糾纏，2021年成果在線發表于《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同軸線把兩個超導量子芯片連接起來，每個芯片上集成了3個超導量子比特。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上，他和團隊首次實現了3比特GHZ態從一個超導量子芯片傳輸到另一個芯片，GHZ態保真度達到0.656。研究還進一步把兩個超導量子芯片的量子比特全部糾纏起來，制備了一個跨芯片分布的6比特GHZ態，其保真度達到0.722。研究結果表明，通過提高超導芯片間連接的相干性可以實現高保真度的芯片間量子態傳輸，甚至有望達到單芯片上態傳輸的性能，實現多個超導芯片的“無縫”連接，使構建大規模分布式超導量子處理器成為可能。

鐘有鵬的研究被《自然》作為亮點工作進行了報道

從讀博士開始，鐘有鵬就在為實現量子芯片間的高性能互連做著持續探索，并接連取得突破性進展。2018年，國際同行首次實現了兩個量子模塊的確定性量子態傳輸，保真度只有80%左右；與此同時，鐘有鵬首先在單芯片上進行了新的量子互連方案的探索，量子態傳輸保真度達到94%，相關成果發表在《自然·物理》（Nature Physics）；在新方案的基礎上，鐘有鵬博士后期間實現兩個量子芯片互連，量子態傳輸保真度達到91%，2021年，相關成果在《自然》發表。實驗完成后，鐘有鵬毫不猶豫地回到祖國的懷抱，經過近兩年的技術攻關，最近他取得了新的突破，量子芯片互連的品質因子提高了一個數量級，信道相干時間達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，就像黏合磚塊建高樓大廈，過去是用泥巴，現在我們做出了水泥，可以把磚塊黏合得更牢，大廈建得更穩固、高大。最近谷歌、IBM發布了他們的長遠技術路線圖，目標是構建達到100萬個量子比特的量子處理器，雖然目前還沒有發布具體的技術細節，沒有給出‘水泥的配方’，但是大家都認為要建‘一棟樓’，需要把很多‘磚塊’壘起來。我們現在先把‘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，以此可能構建大規模的量子處理器。”鐘有鵬介紹。

與時代節奏合拍

90后青年學者攻克世界級難題，對很多人來說這是極具挑戰的事情。但對鐘有鵬，這似乎并不足為奇，因為在很早時，他就已展現出很大的科研潛力。

大學時期，鐘有鵬曾加入浙江大學物理系新成立的超導量子器件小組，他一邊完成課業，一邊開展超導量子計算實驗研究。大四時，鐘有鵬就以第二作者身份在國際期刊《應用物理快報》（Applied Physics Letters）上發表論文，同時他作為第一作者的另一項重要成果還發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。在這項研究中，鐘有鵬與合作者將有3個人工原子的超導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控，采用量子弱測量和反坍塌技術，成功將量子比特的有效能量弛豫時間延長3倍。這一工作使量子信息能在芯片上更好地保存，存儲時間甚至可以超越器件的物理極限，從而為量子計算服務。這是世界上首次在量子信息處理中實現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設計中，也入選了“浙江大學2013屆百篇特優本科畢業設計”。大學畢業后，他選擇留在超導量子器件小組繼續深造。因在超導量子計算實驗領域取得的出色研究成果，在研究生一年級時，他獲得用以激發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同創新中心（國家2011計劃）2013年度杰出研究生獎。

鐘有鵬從未想過自己初次接觸超導量子計算研究就能嶄露頭角，因為進入這一領域對他而言是一個隨機的選擇。本科入學時，鐘有鵬原本入讀的是丘成桐數學班，但經過兩年學習，他意識到自己對基礎數學缺乏濃厚興趣，轉而到物理系學習。當時正值潘建偉院士團隊的科研取得重大突破，新聞媒體頻頻報道，這吸引鐘有鵬開始關注相關領域的研究進展。而浙江大學在量子研究上做的新布局，則為他進入此領域提供了機會。如此，在偶然的機緣下，鐘有鵬與量子結緣。

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

鐘有鵬喜歡工程化研究，更喜歡真正動手去做事情，無論是在浙江大學還是在美國芝加哥大學，導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新想法產生。研發超低損耗且易于鍵合連接的超導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同軸線做量子芯片互連，但鐘有鵬感到行業里通用的東西可能并不是最好的。“因為瓶頸在那里，當時的保真度大家只能做到80%，想要突破，一定要打破常規，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同軸線。”

鐘有鵬想到的替代材料是鋁，但將材料真正落實成易于鍵合連接的超導同軸線并非易事。鋁材質軟，又不好焊接，日常生活中使用率低，這意味著市場上沒有現成的鋁材質超導同軸線產品，只好找廠家定制生產。“當時在國外曾聯系過很多廠家，因為市場需求量少，沒人愿意專門幫你定制，研究無法推進。很幸運，回國后，問題解決了，中國是世界工廠，工業生產能力齊備，有很多廠家愿意幫忙生產。在國內做科研其實有許多優勢，需要我們去發掘利用好。”鐘有鵬說。

看似一路順遂的鐘有鵬，對“科研無坦途”其實有很深的體會，因為做科研不僅要有好想法，還要落實，更要調整好心態。在美國讀博時，鐘有鵬就曾艱難地度過一次心理關隘。

做導師安排的博士研究課題時，鐘有鵬知道國際上有好幾個大團隊已經著手研究相關課題有一段時間了，而當時他的導師剛搬到芝加哥大學，實驗室才剛剛開始搭建。因為沒信心跟得上同行的步伐，鐘有鵬一開始有畏難情緒，不樂意做這個課題。當看到這些團隊陸續有成果產出后，鐘有鵬內心更傾向于放棄做這項研究。“我去找導師聊，他覺得我心態可能太過功利了。后來我慢慢調整心態，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，你現在可以考慮提前畢業了’。所以我是普利茨克分子工程學院第一個提前畢業的博士生。”鐘有鵬說，“相當于百米賽跑，人家快跑到終點了，你才開始跑，心理上落差很大。但現在回頭看，競爭并不是壞事，也不必計較那么多，如果這個事情很有意義，就應該腳踏實地去做，而且良性競爭也能促進科研發展。所以現在我知道有一些同行很快要跟我同臺競爭了，但我心態很平和，這可以促使我更好地向前走。”

在創新沃土上耕耘

從芝加哥大學博士畢業后，鐘有鵬曾有機會去谷歌等國際一流量子團隊工作，但他認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的重大原創發現，搶占量子計算核心技術戰略制高點，在超導量子計算機、硅基半導體量子計算以及固態量子存儲方向具有不可替代的區域優勢。當時在疫情防控期間與深圳量子院遠程完成面試后，鐘有鵬就直接接受了工作，毅然購買機票回國。這幾年他在深圳工作、生活后，證明當時的堅定選擇是正確的。

鐘有鵬說，深圳商業氛圍比較濃，但是最近幾年深圳變得越來越重視尖端科技領域。在俞大鵬院士團隊里，鐘有鵬已經在許多研究中取得重大突破。除發表在《自然電子學》的工作外，近期他與清華大學的段路明教授團隊合作取得重要進展，實現了64米距離連接的兩個量子芯片間的確定性量子隱形傳態。除此，還和深圳大學李朝紅教授團隊在相互作用誘導的拓撲泵浦方面取得新突破。

鐘有鵬在實驗室

“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。我們目前工作進展很快，因為團隊很努力，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，他對我們超導團隊很關心，給了我們極大支持。”鐘有鵬說。

談到未來工作計劃，鐘有鵬希望繼續在分布式量子計算技術研究上做進一步探索，更希望在自己開發出來的量子芯片上做一些開創性的量子模擬研究。

在深圳國際量子研究院的超導量子計算實驗室里，脈管制冷機運轉發出巨大噪聲。“別人都嫌這種噪聲吵，我們卻管它叫‘量子音樂’，覺得很好聽。”鐘有鵬笑著說。目前，鐘有鵬一直是爭分奪秒在工作，不僅因為量子計算技術研究領域發展進入了一個關鍵期，技術更新迭代非常快，更重要的是這完全是他的興趣愛好所在。