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2022年北京“最美科技工作者”|于海峰:下好量子计算“先手棋”

来源:北京科技报    发布日期:2022-08-17 10:54:57   阅读量:0

在北京市委宣传部、北京市科协等部门组织的遴选活动中,清华大学教授、中国工程院院士江亿等10名同志当选2022年北京“最美科技工作者”,并将作为2022年全国“最美科技工作者”候选人向中国科协推荐。让我们一起来了解最美科技工作者的感人事迹,体悟他们身上的“爱国、创新、求实、奉献、协作、育人”科学家精神。


为实现量子计算机的自主创新,于海峰及其团队首先建立起整条量子芯片生产流水线,逐渐摆脱对进口设备的依赖。

撰文/记者 李慧     图文编辑/陈永杰

在新一轮科技革命和产业变革的前沿领域中,量子科技无疑是最炙手可热的方向之一。2021年中关村论坛上,“长寿命超导量子比特芯片突破500微秒大关”作为北京市的重大成果面向全球重磅发布,展现了北京高质量建设国际科技创新中心的阶段性成果。

北京量子信息科学研究院研究员于海峰,长期深耕量子信息领域,作为该科研成果团队的主要负责人,在日前北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的遴选活动中,当选2022年北京“最美科技工作者”。

立下攻关“军令状”

来到北京前,于海峰在南京大学从事高校科研教学。2017年底,北京量子信息科学研究院院长、中科院院士、清华大学教授薛其坤(现南方科技大学校长)向于海峰递来“橄榄枝”,邀请他北上从事超导量子计算研究。一边是步入正轨的稳定生活,一边是未知的全新挑战,于海峰审慎思考后选择了后者,“超导量子计算从某种意义上讲,已经进入科学工程化阶段,和传统的科研模式有所不同,需要一个大的团队集中力量攻关,而新型研发机构集科研和工程于一体,是一个极佳的平台”,征得家庭的理解和同意后,于海峰便举家搬往北京。 

来到北京量子信息科学研究院这一新型研发机构,首要之务是招兵买马。作为超导量子计算团队的负责人,于海峰快速组建了一支由30多人组成的科研团队。这是一支朝气蓬勃的青年团队,成员平均年龄30多岁,95%以上具有博士学位,30%以上具有海外留学背景,分别来自物理、电子、计算机等不同专业。 

制造一台量子计算机涉及芯片、测控、电子学等多个模块,芯片是其中“卡脖子”的一环。为实现量子计算机的自主创新,于海峰及其团队首先建立起整条量子芯片生产流水线,其中绝大部分为国产化的自行组装设备,逐渐摆脱对进口设备的依赖。

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▲于海峰在实验室(供图/于海峰)

量子计算有三个重要的指标:相干时间、保真度和比特数。围绕这三个指标,团队把科研进度逐层分解为1年期、2年期、5年期多个阶段,具体任务也不断细化,甚至每个攻关小组都立下了“军令状”。

量子芯片加工:从追赶到领跑

量子比特的寿命(相干时间)是量子计算重要的指标,它决定着量子门保真度、电路深度等一系列量子计算机的重要性能参数,是高质量量子芯片的必备条件。

2020年,美国普林斯顿大学研究组在预印本文库上传了一篇科研论文,他们使用钽(一种超导金属材料)膜工艺,把量子比特的寿命提高到360微秒的国际最高值,引起全世界领域内的广泛关注。相较之下,当时我国量子芯片一直徘徊在几十微秒,没有突破100微秒大关。

“外国人能做的,我们也一定能够攻关下来!”起步晚,并不意味着追不上。于海峰团队刚刚成立,就决定把相干时间这个硬骨头作为团队的第一个攻关目标。

与此同时,于海峰仔细研究普林斯顿大学的论文,发现他们的工艺还有不少提升空间,如薄膜的生长和刻蚀条件,原工艺中湿法腐蚀的方法并不适合后续规模化超导量子芯片的制备,如果要普及钽膜,干法刻蚀工艺是必须要解决的。

▲北京量子信息科学研究院超导量子计算实验室内,研究员正在进行科研工作(图片来源/视觉中国)

团队针对超导量子比特的工艺流程,联系国内厂商迅速装配出相关镀膜设备,并开始有针对性地研究。一开始,研究很不顺利,很难获得稳定的阿尔法相钽膜和比较规整的刻蚀界面,相干时间也得不到提升。那段时间,于海峰和团队成员几乎住在了单位,反复琢磨数据规律。“攻关的过程比较艰辛,我们经过了无数次的失败,甚至用上了地毯式的排查方法,终于在一个不起眼的细节处发现了一些蛛丝马迹,让我们掌握了高质量薄膜生长和刻蚀条件的规律。”于海峰说。

2021年的五一假期,实验室成功观测到了寿命超过500微秒的超导量子比特。最先看到这一结果的是研究员金贻荣,他立即将消息告知正在食堂吃饭的于海峰,“我跟于老师一说,于老师饭都不吃了,马上跳起来回实验室去了。” 

500微秒,是当时国际文献报道的最高值,标志着我国量子芯片的质量得到了阶跃式提升。两星期后,于海峰团队的文章在预印本文库上公开,引起国际同行的密切关注,纷纷来电来函询问细节。这表明,我国在超导量子芯片的质量上已经走到了国际最前列。 

下好“先手棋”

“如果把一个好的科研成果比作一台机器,那么每一个科研工作者就是其中一个部件。”于海峰认为自己只是首都千千万万科技工作者中的普通一员,荣获2022年北京“最美科技工作者”,不仅是他个人的荣誉,更是团队和单位的荣誉。 

助理研究员韩佳秀自2020年博士毕业后,就加入了于海峰的团队。她坦言科研工作者的真实工作状态并非外人想象的那般有趣,“在我们日常工作中,成果出现的概率其实远低于失败的概率,大多数时候我们维持一个高度紧张的状态,日复一日重复规定的工作,经常看不到什么好的成果。但只要我们一直坚守,认真对待,总有一天成果会找到我们。”

韩佳秀还戏称于海峰为“工作狂魔”。该称号如何得来?原来于海峰刚来到量子研究院的时候,总是半夜1点多回家,并长期维持了这一习惯。没有加班任务,这完全是他兴趣使然的自发行为。“我是幸运的,因为自己的爱好和职业是重合的。”于海峰说。 

累并快乐着,是所有团队成员的真实写照,而努力终有回报。在保真度方面,实现了国际最高保真度99.992%的单量子比特门操控和保真度99.54%的两比特门操控;在多比特集成方面,利用倒装焊工艺,研制出面向规模化的真空电容量子比特,为大规模量子比特的集成解决了相干时间短和尺寸拥挤的障碍;在多比特方面,现在他们正在冲击多比特的实验,力争早日进入“多比特国际俱乐部”;在应用领域,2021年5月超导量子计算团队上线了北京首个量子计算云平台,该平台在上线1个月内就执行了1000次以上企业和科研单位的量子计算任务,京东研究院成功利用此云平台开展图像分类识别的机器学习研究,培育了企业用户。

尽管在量子计算科研领域已取得系列突破,于海峰坦言,量子科技目前仍处在研发前期阶段,离实际应用和产业化还有很长的一段路要走。那么团队做科研的意义何在?

2019年,科技巨头谷歌宣布其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内,完成传统计算机需1万年时间处理的问题,并声称在全球首次实现“量子霸权”;2021年,中科大团队的“九章”和“祖冲之二号”也完成了这一具有里程碑意义的工作。事实证明,利用量子力学规则,确实能够解决当前经典计算机无法处理的复杂难题。

▲世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生(图片来源/视觉中国)

“量子计算机是‘二次量子革命’的代表性产品,其计算能力随着比特数目的增加呈指数增长,可用于气象预报、金融分析、药物设计、揭示新能源新材料机制等多种应用。”下好“先手棋”,才能更好地赢得主动、抢得先机。征途漫漫,于海峰及其团队朝着量子比特的长寿命目标奋进不息。