朱晓波：“祖冲之号”背后的匠人

光子盒研究院出品

2014年，加州大学圣塔芭芭拉分校教授John Martinis加入谷歌负责开发超导量子比特；2019年，Martinis带领团队首次展示了“量子计算优越性”。加入谷歌五年时间，就完成了这一壮举。

在中国，也有这样一位人物，从他加入中科大担任潘建伟院士团队超导量子计算负责人，到最终实现“量子计算优越性”，也只用了五年时间。

他，就是朱晓波。

朱晓波教授

超导量子比特是人工全固态量子器件，具有耦合强、可扩展等突出优势，一直是各个国家和公司关注的焦点。从郭光灿推动中国第一个量子通信和量子信息技术的“973”项目获得通过，到潘建伟整体搬迁回国后的十几年里，中国一直处在量子信息技术发展前沿。但在超导量子计算领域，直到2016年仍然明显落后于美国。

2016年，世界上首个量子计算云平台IBM Quantum Experience发布，当时中国超导量子计算研究还在起步阶段。也在这一年，中科大潘建伟院士团队超导量子计算项目加入了有10多年超导研究经验的朱晓波。自此，中科大超导量子计算团队加快了赶超美国的步伐。

朱晓波出生于1976年，1998年毕业于吉林大学；2003年博士毕业于中国科学院物理研究所。博士期间，朱晓波开始接触超导材料的研究。2003年开始，留所工作的5年，朱晓波延续了博士的科研课题，继续深入了对Bi₂Sr₂CaCu2O₈(铋锶钙铜氧化物，BSCCO)这一超导单晶性质的探索。BSCCO体系晶体具有极端的各向异性，相邻的铜氧层间耦合很弱从而可以形成天然的本征约瑟夫森结，也是目前技术最成熟、应用最广泛、商业化程度最高的超导材料。而约瑟夫森结正是超导量子比特的基础。朱晓波参与的团队在Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+delta单晶上制造出了本征约瑟夫森结(IJJ)[1]，随后又在低温环境下创造了可控的Bi₂Sr₂CaCu2O_8+δ/Au[2]，并观察了晶体表面IJJ中宏观量子隧穿(MQT)的电流分布和电流的磁场依赖性。

2008年，朱晓波加入日本NTT物性科学基础研究所，主要从事超导量子比特和约瑟夫森结的研究。这五年期间，朱晓波对超导量子比特也有了更为深入的理解。

朱晓波所在的团队先是分析了Bi₂Sr₂CaCu2O_8+δ本征约瑟夫森结从超导间隙到赝间隙演变时的隧穿光谱[3]，随后详细跟踪了Bi₂Sr₂CaCu2O_8+δ超导体最低激发态与基态之间的能量间隙[4]；在约瑟夫森结方面，团队在强谐振交流驱动的情况下探索了直流超导量子干涉装置(SQUID)的相位逃逸特性[5]，并在25–140mK的宽温度范围内证明了宏观量子隧穿(MQT)是主要的逃逸机制[6]。最终，团队结合早前研究成果，分析了Bi₂Sr₂CaCu2O_8+δ表面本征约瑟夫森结中的共振相位逃逸现象[7]，还利用Fistul等人(2003 Phys. Rev. B68 060504)提出的量子力学模型对这一现象进行了解释。

2011年，朱晓波团队通过改进传统超导磁通性量子比特的设计，获得了退相干时间达到微秒量级的、能隙可调型磁通量子比特。这是世界上首次成功地将该种超导量子比特系统与一个电子自旋集体模系统相干耦合[8]，此项工作也在实验上开启了长寿命固态量子存储器这一新的研究方向。

2013年，朱晓波重回中科院物理所，并于2016年加入中国科技大学担任潘建伟院士团队的超导量子计算负责人，兼任教授一职，在这里先后创造了超导量子比特最大纠缠数目纪录。到目前为止，朱晓波以一作或(共同)通讯作者在《自然》、《科学》、《自然·物理》、《物理评论快报》和《自然·通讯》主要顶级期刊发表论文十余篇；并多次获得国家B类先导、973项目，以及2011协同创新中心等一系列科研经费资助。

博士毕业后国内外近十年的科研经历为朱晓波在超导领域打下了坚实的理论和实验基础。加入中科大仅一年后，2017年，潘建伟、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组在基于超导体系的量子计算机研究方面取得重要进展：打破了之前由谷歌Martinis团队公开报道的九个超导量子比特的操纵记录[9]，实现了十个超导量子比特的纠缠，并在此基础上也实现了快速求解线性方程组的量子算法[10]。

十个超导量子比特的纠缠

对于这个实验，Martinis给予了高度评价，尤其是他们的快速纠缠和“良好的单量子比特操作”。但他认为，在他们完全测量单量子比特门或纠缠门的保真度之前，很难知道他们真正取得了多大进步。“困难的是在良好的门保真度下扩大规模，”他说。当时国际上对于中科大团队能否实现高质量的量子比特是持保留态度的。

2019年，谷歌团队宣布其“悬铃木”量子处理器达到“量子计算优越性”(当时叫做“量子霸权”)，震惊了全世界，以至于很多人忽略了潘建伟、朱晓波团队在这一年取得的重大成就。这一年，团队在一维链结构12比特超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％；开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中，随后将芯片结构从一维扩展到准二维，制备出了承载24个比特的高性能超导量子处理器：这是首次在固态量子计算系统中实现了超过20比特的高精度量子相干调控。

2020年，朱晓波团队开始朝着实现“量子计算优越性”的目标进发，原本计划在当年达成，但在实际过程中遇到了困难。在2020年12月由中科院物理所主办的“量子计算及量子信息研讨会”上，朱晓波透露，从6月到8月，中科大团队的60+量子比特处理器迭代了4次，“由于系统的复杂性，原本希望2020年底或2021年上半年能将其量子优越性展示出来，但是现在看来还有不少问题。”

2021年，在团队的不懈努力之下，5月，潘建伟、朱晓波、彭承志等成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。创下了国际上超导量子比特数目最多的记录。

“祖冲之号”二维超导量子比特芯片示意图,每个橘色十字代表一个量子比特。

然而，“祖冲之号”距离实现“量子计算优越性”仍有一定距离，为此，该团队继续进行优化。2021年6月底，祖冲之团队推出了优化后的66比特可编程超导量子计算原型机——“祖冲之二号”，并实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解[11]。这一研究突破使中国在超导量子比特体系中首次达到“量子计算优越性”的里程碑。

几个月后，“祖冲之二号”达到了更大规模的“量子计算优越性”，处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级、计算复杂度比谷歌公开的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级[12]。

“祖冲之二号”量子处理器。

由于具有高质量的量子比特，“祖冲之二号”单比特门、两比特门和读取保真度分别为99.84%、99.40%和97.74%，相比之下，谷歌“悬铃木”在其“量子计算优越性”实验中的三项保真度分别为99.84%、99.38%和96.20%。这一研究突破也回答了Martinis关于“如何在良好的门保真度下扩大规模”的问题。

量子计算优越性的成功演示也标志着我国量子计算研究进入到技术发展的第二阶段：量子纠错和近期应用的探索。基于“祖冲之号”系列量子计算原型机的二维可编程量子行走在量子搜索算法、通用量子计算等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

2021年，“祖冲之二号”和“九章二号”量子计算优越性实验成功入选了美国物理学会“2021年物理学十大进展”，朱晓波教授也凭借“祖冲之号”获得了第三届“科学探索奖”(THE EXPLORER PRIZE)。

迄今为止，朱晓波团队已经在固态量子存储方面做出了一系列重要的创新性贡献：首次成功地将超导量子比特系统与NV色心系综相干耦合，并演示单量子比特存储，和其中的具有更长寿命的暗黑态。这些工作是通往长寿命、高隔离固态量子存储器的开端，有望一举解决超导量子比特系统在规模化时必须攻克的寿命、隔离性、串扰等问题。

现在，尽管中科大团队研发的“九章二号”和“祖冲之二号”已经使得中国在“双赛道”上实现了瞩目的“量子计算优越性”。当前研制量子计算机的最大技术挑战是：提高操纵量子比特的精度、提高运算正确率。

接受采访时，朱晓波教授表示，国际量子学界主流观点认为研制出有实用价值的容错型通用量子计算机，大约还需要10年到15年；学界乐观的观点认为，5年左右会有局部应用落地。“例如即便单次门运算精度达到99%，70次运算下来，正确率就下降到50%以下。”量子科技是事关人类未来的关键核心技术领域，希望能有更多兼具智慧和勇气的年轻人进来。“勇闯科研无人区和产业无人区，扎扎实实做上10到15年，一定会有更重要的成果不断涌现。”

参考文献：

[1]https://www.researchgate.net/publication/288089841_Fabrication_of_intrinsic_Josephson_junctions_on_Bi2Sr2CaCu2O8delta_single_crystals_with_reproducible_surface_junctions

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921453403016800?via%3Dihub%E3%80%81https://www.researchgate.net/publication/238970698_Bi2Sr2CaCu2O8d_intrinsic_Josephson_junctions_Surface_layer_characterization_and_control

[3]https://link.springer.com/article/10.1140/epjb/e2009-00299-7

[4]https://www.nature.com/articles/srep00248

[5]https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.81.144518

[6]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.107.067004

[7]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/15/9/095006

[8]https://www.nature.com/articles/nature10462

[9]https://www.nature.com/articles/nature17658

[10]https://arxiv.org/pdf/1703.10302.pdf

[11]https://arxiv.org/abs/2106.14734

[12]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

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