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(xué)教授、中國工程院院士江億等10名同志當(dāng)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(shí)、奉獻(xiàn)、協(xié)作、育人”科學(xué)家精神。
為實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的自主創(chuàng)新，于海峰及其團(tuán)隊首先建立起整條量子芯片生產(chǎn)流水線，逐漸擺脫對進(jìn)口設(shè)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(lǐng)域中，量子科技無疑是最炙手可熱的方向之一。2021年中關(guān)村論壇上，“長壽命超導(dǎo)量子比特芯片突破500微秒大關(guān)”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(shè)國際科技創(chuàng)新中心的階段性成果。
北京量子信息科學(xué)研究院研究員于海峰，長期深耕量子信息領(lǐng)域，作為該科研成果團(tuán)隊的主要負(fù)責(zé)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(dāng)選2022年北京“最美科技工作者”。
立下攻關(guān)“軍令狀”
來到北京前，于海峰在南京大學(xué)從事高?？蒲薪虒W(xué)。2017年底，北京量子信息科學(xué)研究院院長、中科院院士、清華大學(xué)教授薛其坤（現(xiàn)南方科技大學(xué)校長）向于海峰遞來“橄欖枝”，邀請他北上從事超導(dǎo)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(dǎo)量子計算從某種意義上講，已經(jīng)進(jìn)入科學(xué)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(tuán)隊集中力量攻關(guān)，而新型研發(fā)機(jī)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(xué)研究院這一新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，首要之務(wù)是招兵買馬。作為超導(dǎo)量子計算團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人，于海峰快速組建了一支由30多人組成的科研團(tuán)隊。這是一支朝氣蓬勃的青年團(tuán)隊，成員平均年齡30多歲，95%以上具有博士學(xué)位，30%以上具有海外留學(xué)背景，分別來自物理、電子、計算機(jī)等不同專業(yè)。
制造一臺量子計算機(jī)涉及芯片、測控、電子學(xué)等多個模塊，芯片是其中“卡脖子”的一環(huán)。為實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的自主創(chuàng)新，于海峰及其團(tuán)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(shè)備，逐漸擺脫對進(jìn)口設(shè)備的依賴。
▲于海峰在實(shí)驗(yàn)室（供圖/于海峰）
量子計算有三個重要的指標(biāo)：相干時間、保真度和比特數(shù)。圍繞這三個指標(biāo)，團(tuán)隊把科研進(jìn)度逐層分解為1年期、2年期、5年期多個階段，具體任務(wù)也不斷細(xì)化，甚至每個攻關(guān)小組都立下了“軍令狀”。
量子芯片加工：從追趕到領(lǐng)跑
量子比特的壽命（相干時間）是量子計算重要的指標(biāo)，它決定著量子門保真度、電路深度等一系列量子計算機(jī)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(xué)研究組在預(yù)印本文庫上傳了一篇科研論文，他們使用鉭（一種超導(dǎo)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(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。相較之下，當(dāng)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(guān)。
“外國人能做的，我們也一定能夠攻關(guān)下來！”起步晚，并不意味著追不上。于海峰團(tuán)隊剛剛成立，就決定把相干時間這個硬骨頭作為團(tuán)隊的第一個攻關(guān)目標(biāo)。
與此同時，于海峰仔細(xì)研究普林斯頓大學(xué)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?dǎo)量子芯片的制備，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(xué)研究院超導(dǎo)量子計算實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究員正在進(jìn)行科研工作（圖片來源/視覺中國）
團(tuán)隊針對超導(dǎo)量子比特的工藝流程，聯(lián)系國內(nèi)廠商迅速裝配出相關(guān)鍍膜設(shè)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(tuán)隊成員幾乎住在了單位，反復(fù)琢磨數(shù)據(jù)規(guī)律?！肮リP(guān)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(xì)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(shí)驗(yàn)室成功觀測到了壽命超過500微秒的超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室去了?！?nbsp;
500微秒，是當(dāng)時國際文獻(xiàn)報道的最高值，標(biāo)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(tuán)隊的文章在預(yù)印本文庫上公開，引起國際同行的密切關(guān)注，紛紛來電來函詢問細(xì)節(jié)。這表明，我國在超導(dǎo)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(jī)器，那么每一個科研工作者就是其中一個部件。”于海峰認(rèn)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(yù)，更是團(tuán)隊和單位的榮譽(yù)。
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(tuán)隊。她坦言科研工作者的真實(shí)工作狀態(tài)并非外人想象的那般有趣，“在我們?nèi)粘９ぷ髦校晒霈F(xiàn)的概率其實(shí)遠(yuǎn)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(fù)一日重復(fù)規(guī)定的工作，經(jīng)常看不到什么好的成果。但只要我們一直堅守，認(rèn)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(diǎn)多回家，并長期維持了這一習(xí)慣。沒有加班任務(wù)，這完全是他興趣使然的自發(fā)行為?！拔沂切疫\(yùn)的，因?yàn)樽约旱膼酆煤吐殬I(yè)是重合的?！庇诤７逭f。
累并快樂著，是所有團(tuán)隊成員的真實(shí)寫照，而努力終有回報。在保真度方面，實(shí)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)?；恼婵针娙萘孔颖忍?，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(shí)驗(yàn)，力爭早日進(jìn)入“多比特國際俱樂部”；在應(yīng)用領(lǐng)域，2021年5月超導(dǎo)量子計算團(tuán)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(wù)，京東研究院成功利用此云平臺開展圖像分類識別的機(jī)器學(xué)習(xí)研究，培育了企業(yè)用戶。
盡管在量子計算科研領(lǐng)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(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化還有很長的一段路要走。那么團(tuán)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(jī)成功在3分20秒時間內(nèi)，完成傳統(tǒng)計算機(jī)需1萬年時間處理的問題，并聲稱在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”；2021年，中科大團(tuán)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(shí)證明，利用量子力學(xué)規(guī)則，確實(shí)能夠解決當(dāng)前經(jīng)典計算機(jī)無法處理的復(fù)雜難題。
▲世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(jī)的光量子計算機(jī)在我國誕生（圖片來源/視覺中國）
“量子計算機(jī)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(yù)報、金融分析、藥物設(shè)計、揭示新能源新材料機(jī)制等多種應(yīng)用?！毕潞谩跋仁制濉?，才能更好地贏得主動、搶得先機(jī)。征途漫漫，于海峰及其團(tuán)隊朝著量子比特的長壽命目標(biāo)奮進(jìn)不息。
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