2022年北京“最美科技工作者”｜于海峰：下好量子計算“先手棋”
在北京市委宣傳部、北京市科協(xié)等部門組織的遴選活動中，清華大學教授、中國工程院院士江億等10名同志當選2022年北京“最美科技工作者”，并將作為2022年全國“最美科技工作者”候選人向中國科協(xié)推薦。讓我們一起來了解最美科技工作者的感人事跡，體悟他們身上的“愛國、創(chuàng)新、求實、奉獻、協(xié)作、育人”科學家精神。
為實現(xiàn)量子計算機的自主創(chuàng)新，于海峰及其團隊首先建立起整條量子芯片生產(chǎn)流水線，逐漸擺脫對進口設備的依賴。
撰文/記者 李慧 圖文編輯/陳永杰
在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領域中，量子科技無疑是最炙手可熱的方向之一。2021年中關村論壇上，“長壽命超導量子比特芯片突破500微秒大關”作為北京市的重大成果面向全球重磅發(fā)布，展現(xiàn)了北京高質(zhì)量建設國際科技創(chuàng)新中心的階段性成果。
北京量子信息科學研究院研究員于海峰，長期深耕量子信息領域，作為該科研成果團隊的主要負責人，在日前北京市委宣傳部、市科協(xié)等部門組織開展的遴選活動中，當選2022年北京“最美科技工作者”。
立下攻關“軍令狀”
來到北京前，于海峰在南京大學從事高?？蒲薪虒W。2017年底，北京量子信息科學研究院院長、中科院院士、清華大學教授薛其坤（現(xiàn)南方科技大學校長）向于海峰遞來“橄欖枝”，邀請他北上從事超導量子計算研究。一邊是步入正軌的穩(wěn)定生活，一邊是未知的全新挑戰(zhàn)，于海峰審慎思考后選擇了后者，“超導量子計算從某種意義上講，已經(jīng)進入科學工程化階段，和傳統(tǒng)的科研模式有所不同，需要一個大的團隊集中力量攻關，而新型研發(fā)機構(gòu)集科研和工程于一體，是一個極佳的平臺”，征得家庭的理解和同意后，于海峰便舉家搬往北京。
來到北京量子信息科學研究院這一新型研發(fā)機構(gòu)，首要之務是招兵買馬。作為超導量子計算團隊的負責人，于海峰快速組建了一支由30多人組成的科研團隊。這是一支朝氣蓬勃的青年團隊，成員平均年齡30多歲，95%以上具有博士學位，30%以上具有海外留學背景，分別來自物理、電子、計算機等不同專業(yè)。
制造一臺量子計算機涉及芯片、測控、電子學等多個模塊，芯片是其中“卡脖子”的一環(huán)。為實現(xiàn)量子計算機的自主創(chuàng)新，于海峰及其團隊首先建立起整條量子芯片生產(chǎn)流水線，其中絕大部分為國產(chǎn)化的自行組裝設備，逐漸擺脫對進口設備的依賴。
▲于海峰在實驗室（供圖/于海峰）
量子計算有三個重要的指標：相干時間、保真度和比特數(shù)。圍繞這三個指標，團隊把科研進度逐層分解為1年期、2年期、5年期多個階段，具體任務也不斷細化，甚至每個攻關小組都立下了“軍令狀”。
量子芯片加工：從追趕到領跑
量子比特的壽命（相干時間）是量子計算重要的指標，它決定著量子門保真度、電路深度等一系列量子計算機的重要性能參數(shù)，是高質(zhì)量量子芯片的必備條件。
2020年，美國普林斯頓大學研究組在預印本文庫上傳了一篇科研論文，他們使用鉭（一種超導金屬材料）膜工藝，把量子比特的壽命提高到360微秒的國際最高值，引起全世界領域內(nèi)的廣泛關注。相較之下，當時我國量子芯片一直徘徊在幾十微秒，沒有突破100微秒大關。
“外國人能做的，我們也一定能夠攻關下來！”起步晚，并不意味著追不上。于海峰團隊剛剛成立，就決定把相干時間這個硬骨頭作為團隊的第一個攻關目標。
與此同時，于海峰仔細研究普林斯頓大學的論文，發(fā)現(xiàn)他們的工藝還有不少提升空間，如薄膜的生長和刻蝕條件，原工藝中濕法腐蝕的方法并不適合后續(xù)規(guī)?；瑢Я孔有酒闹苽?，如果要普及鉭膜，干法刻蝕工藝是必須要解決的。
▲北京量子信息科學研究院超導量子計算實驗室內(nèi)，研究員正在進行科研工作（圖片來源/視覺中國）
團隊針對超導量子比特的工藝流程，聯(lián)系國內(nèi)廠商迅速裝配出相關鍍膜設備，并開始有針對性地研究。一開始，研究很不順利，很難獲得穩(wěn)定的阿爾法相鉭膜和比較規(guī)整的刻蝕界面，相干時間也得不到提升。那段時間，于海峰和團隊成員幾乎住在了單位，反復琢磨數(shù)據(jù)規(guī)律?！肮リP的過程比較艱辛，我們經(jīng)過了無數(shù)次的失敗，甚至用上了地毯式的排查方法，終于在一個不起眼的細節(jié)處發(fā)現(xiàn)了一些蛛絲馬跡，讓我們掌握了高質(zhì)量薄膜生長和刻蝕條件的規(guī)律?！庇诤７逭f。
2021年的五一假期，實驗室成功觀測到了壽命超過500微秒的超導量子比特。最先看到這一結(jié)果的是研究員金貽榮，他立即將消息告知正在食堂吃飯的于海峰，“我跟于老師一說，于老師飯都不吃了，馬上跳起來回實驗室去了。”
500微秒，是當時國際文獻報道的最高值，標志著我國量子芯片的質(zhì)量得到了階躍式提升。兩星期后，于海峰團隊的文章在預印本文庫上公開，引起國際同行的密切關注，紛紛來電來函詢問細節(jié)。這表明，我國在超導量子芯片的質(zhì)量上已經(jīng)走到了國際最前列。
下好“先手棋”
“如果把一個好的科研成果比作一臺機器，那么每一個科研工作者就是其中一個部件。”于海峰認為自己只是首都千千萬萬科技工作者中的普通一員，榮獲2022年北京“最美科技工作者”，不僅是他個人的榮譽，更是團隊和單位的榮譽。
助理研究員韓佳秀自2020年博士畢業(yè)后，就加入了于海峰的團隊。她坦言科研工作者的真實工作狀態(tài)并非外人想象的那般有趣，“在我們?nèi)粘９ぷ髦?，成果出現(xiàn)的概率其實遠低于失敗的概率，大多數(shù)時候我們維持一個高度緊張的狀態(tài)，日復一日重復規(guī)定的工作，經(jīng)?？床坏绞裁春玫某晒５灰覀円恢眻允?，認真對待，總有一天成果會找到我們?！?/p>
韓佳秀還戲稱于海峰為“工作狂魔”。該稱號如何得來？原來于海峰剛來到量子研究院的時候，總是半夜1點多回家，并長期維持了這一習慣。沒有加班任務，這完全是他興趣使然的自發(fā)行為。“我是幸運的，因為自己的愛好和職業(yè)是重合的?！庇诤７逭f。
累并快樂著，是所有團隊成員的真實寫照，而努力終有回報。在保真度方面，實現(xiàn)了國際最高保真度99.992%的單量子比特門操控和保真度99.54%的兩比特門操控；在多比特集成方面，利用倒裝焊工藝，研制出面向規(guī)模化的真空電容量子比特，為大規(guī)模量子比特的集成解決了相干時間短和尺寸擁擠的障礙；在多比特方面，現(xiàn)在他們正在沖擊多比特的實驗，力爭早日進入“多比特國際俱樂部”；在應用領域，2021年5月超導量子計算團隊上線了北京首個量子計算云平臺，該平臺在上線1個月內(nèi)就執(zhí)行了1000次以上企業(yè)和科研單位的量子計算任務，京東研究院成功利用此云平臺開展圖像分類識別的機器學習研究，培育了企業(yè)用戶。
盡管在量子計算科研領域已取得系列突破，于海峰坦言，量子科技目前仍處在研發(fā)前期階段，離實際應用和產(chǎn)業(yè)化還有很長的一段路要走。那么團隊做科研的意義何在？
2019年，科技巨頭谷歌宣布其研發(fā)的量子計算機成功在3分20秒時間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計算機需1萬年時間處理的問題，并聲稱在全球首次實現(xiàn)“量子霸權(quán)”；2021年，中科大團隊的“九章”和“祖沖之二號”也完成了這一具有里程碑意義的工作。事實證明，利用量子力學規(guī)則，確實能夠解決當前經(jīng)典計算機無法處理的復雜難題。
▲世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機在我國誕生（圖片來源/視覺中國）
“量子計算機是‘二次量子革命’的代表性產(chǎn)品，其計算能力隨著比特數(shù)目的增加呈指數(shù)增長，可用于氣象預報、金融分析、藥物設計、揭示新能源新材料機制等多種應用?！毕潞谩跋仁制濉?，才能更好地贏得主動、搶得先機。征途漫漫，于海峰及其團隊朝著量子比特的長壽命目標奮進不息。
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