中國科學(xué)報(bào)記者 胡珉琦
近日，量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”再度刷新了光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄——處理高斯玻色取樣的速度比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍！
“九章”背后有一位默默無聞的功臣。他雖然不被大眾所熟知，但其名字一直和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉院士團(tuán)隊(duì)深度綁定。
他就是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱上海微系統(tǒng)所）研究員尤立星，一個(gè)被潘建偉稱為國內(nèi)超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）“頂梁柱”的人。
不久前，尤立星入選美國斯坦福大學(xué)與Elsevier聯(lián)合發(fā)布的第六版《年度全球前2%頂尖科學(xué)家榜單》。今年7月，他還因在“超導(dǎo)電子學(xué)和量子信息處理”領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，獲得歐洲應(yīng)用超導(dǎo)學(xué)會(huì)（ESAS）頒發(fā)的應(yīng)用超導(dǎo)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)全球每兩年評(píng)選1次，每次僅評(píng)選1位科學(xué)家。
在國內(nèi)，將高端科研儀器做到國際頂尖的科學(xué)家是“稀缺品”。過去15年，尤立星一直致力于國產(chǎn)超導(dǎo)電子器件與應(yīng)用成果的研發(fā)和轉(zhuǎn)化。他說，他所追逐的并非超導(dǎo)“極限”競賽。
背后的人
2019年10月，谷歌在《自然》發(fā)表論文，稱其量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。盡管其一度引發(fā)爭議，但在當(dāng)時(shí)著實(shí)刺激了量子圈。
幾天后，尤立星就接到了老搭檔、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)成員陸朝陽教授的“任務(wù)”——希望他在5個(gè)月內(nèi)提供100個(gè)高性能SSPD，加速“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)的研發(fā)。
尤立星團(tuán)隊(duì)從事的是用超導(dǎo)技術(shù)來做單光子探測器，服務(wù)于整個(gè)光量子信息領(lǐng)域，無論是量子通信還是光量子計(jì)算領(lǐng)域，都與潘建偉團(tuán)隊(duì)保持著密切的合作。
“九章”是以光作為媒介實(shí)現(xiàn)計(jì)算的，而光的量子極限就是單個(gè)光子。單光子探測器就是量子極限靈敏度的光測量設(shè)備，可以探測單個(gè)光子。要是沒有這個(gè)探測器，用光傳遞量子信息就不可能實(shí)現(xiàn)。
“……需求緊急，請以最高優(yōu)先級(jí)保障，拜托！”潘建偉的微信緊隨其后，足見該探測器有多重要。
但只有尤立星自己清楚，這樣的需求和極限任務(wù)無異。
對(duì)于光量子探測芯片，在實(shí)驗(yàn)室完成樣品到實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)，還要保證較高的平均探測效率，難度升級(jí)是指數(shù)級(jí)的。
“科學(xué)家的研究思維和產(chǎn)業(yè)界的產(chǎn)品思維截然不同?！庇攘⑿钦f，前者想的是怎么在實(shí)驗(yàn)室把一個(gè)芯片從0到1做出來，同時(shí)，競爭對(duì)手追求的是如何進(jìn)一步提升單個(gè)樣品的探測效率；而后者考慮的是如何從1到100實(shí)現(xiàn)工程化，不僅要實(shí)現(xiàn)較高的成品率，還要對(duì)用戶友好，能解決客戶的實(shí)際問題。
尤立星的與眾不同是他從0開始的那一刻起，就已經(jīng)想到了1到100的過程。
作為光量子信息領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵器件，其國外封鎖從始至終。早在2013年，國外實(shí)驗(yàn)室SSPD的最高系統(tǒng)探測效率已經(jīng)達(dá)到90%，但進(jìn)口到中國的產(chǎn)品遠(yuǎn)不及這一水平。
國內(nèi)單光子探測器研發(fā)起步稍晚，同時(shí)期，尤立星團(tuán)隊(duì)能達(dá)到的最高探測效率只有70%多，且一度停滯不前。之所以出現(xiàn)這樣的困境，其實(shí)是尤立星“自找”的。
超導(dǎo)研究存在一個(gè)工作溫度的問題，選擇不同的材料做探測器，將會(huì)對(duì)應(yīng)不同的工作溫度。“當(dāng)時(shí)有一種熱門材料叫硅化鎢，它比較容易實(shí)現(xiàn)很高的探測效率，但條件是工作溫度極低，這意味著需要用昂貴的制冷機(jī)來維持環(huán)境溫度?！?
尤立星則反其道而行之，他堅(jiān)持了一條較高工作溫度材料的研究路徑，大大降低了應(yīng)用成本，也讓用戶使用更加友好。這種材料叫氮化鈮（NbN），但NbN要達(dá)到與硅化鎢同樣的探測效率，對(duì)材料本身和納米線加工工藝的精細(xì)化要求更加苛刻。
于是，當(dāng)其他研究團(tuán)隊(duì)不惜一切代價(jià)追求在更低的工作溫度下獲得更高的探測效率時(shí)，尤立星卻堅(jiān)持用盡可能低的成本，默默打磨工藝技術(shù)。
直到2017年，尤立星團(tuán)隊(duì)首次利用NbN材料研制SSPD創(chuàng)造了系統(tǒng)探測效率達(dá)92%的世界紀(jì)錄，競爭局面開始逆轉(zhuǎn)。在達(dá)到同等系統(tǒng)探測效率的情況下，SSPD成本更低、更好用，應(yīng)用空間也更大。
