对话：John Nichol 教授

您能讲述一下自己到目前为止的科学家生涯吗？

我对自旋和自旋量子比特相关课题的研究，已经有将近 20 年的历史。我是在明尼苏达州一所名叫 St. Old College 的小学校完成本科学业的，在那里我和一位教授共同做研究，这位教授在读博期间曾和 Norman Ramsey 共事。

之后，我在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校攻读了博士学位，研究磁共振力显微镜。这是一种适用于极微小物体的磁共振成像方法。其采用的一种方式是，使用机械谐振腔来检测核自旋在发生磁共振期间产生的力。我研究的课题是如何将纳米线作为机械振荡器来检测核磁共振。之后，我继续在哈佛大学攻读半导体自旋量子比特专业的博士后学位，并于 2016 年加入罗切斯特大学物理系任教。

能否说一说您目前的研究活动？您目前在从事哪方面的研究？

我目前的研究工作涉及与半导体量子点和自旋量子比特相关的各种课题，重点关注的是量子计算。其中一个课题是改善自旋量子比特，即如何改善其设计、生产和控制。这是我所说的半导体自旋量子比特的基本要点。

在近期的工作中，我们研究了将机械谐振腔用作与半导体自旋量子比特进行相互作用的潜在系统。另一个尤为激动人心的课题是量子点中的电噪声。纳米级系统中的噪声是我长期以来一直感兴趣的课题，也是我的博士学位专攻的领域。在极小的核自旋群中，随机的统计偏振超过了施加磁场所引起的偏振。当我们对极小系统进行磁共振成像时，所要寻找的一个主要信号是随机发生的核自旋偏振产生的信号。噪声可谓是一种“糟糕的玩意儿”，但它实际上很重要，只是我们对它知之甚少。

是什么激发您研究自旋量子比特和量子计算的？

自旋量子比特有两个与量子计算目标相关的重要优势，它们给这个领域带来的潜力激发了我研究该课题的兴趣。

第一项优势是：它们属于极小的半导体器件，能够兼容半导体制造技术。一台通用的容错量子计算机将需要数以千计、甚至是数以百万计的量子比特。得益于半导体量子比特，我们可以利用先进半导体制造方面的现有专业知识，构想如何制造布满这些量子比特的 300 毫米晶圆。

另一项优势是有可能实现极长的相干时间。相比于其他固态量子比特，半导体自旋量子比特的相干时间要长数个数量级。这让我们得以实现极高的门控保真度。

您认为在自旋量子计算方面遇到的最大挑战是什么？

尽管半导体量子比特看起来与晶体管十分相似，二者的制造工艺也有许多相同之处，但使用方式却大相径庭。我们用它们来限制单个电子，而不是打开和关闭电流。该领域所面临的最大挑战之一是，如何可靠且大量地制造此类量子比特。我们需要弄清楚如何让量子比特在大型设备中保持一贯的良好表现。一旦我们能够做到这点，将成为推动量子计算领域向前发展的重大时刻。

苏黎世仪器公司的多通道任意波形发生器 (HDAWG) 如何支持您的研究？您能再和我们深入谈谈吗？

组建一支量子计算研究小组既具有技术挑战性，也需要花费高昂成本。在购入 HDAWG 之前，我们使用的仪器比 HDAWG 要昂贵许多。而现在，我们以更低的价格获得了所需要的全部功能，这也有助于我们扩大此类系统的规模。

对于利用 HDAWG 的编程功能来更高效地生成和编译所需脉冲，我们也很感兴趣。半导体自旋量子比特所用脉冲的生成过程可能相当复杂，而如何有效地生成、上传此类脉冲则是许多不同的研究团队所面临的日常挑战。在这方面，HDAWG 的表现令我们十分兴奋。

让我们稍微换个话题，您能跟我们分享一个有关于您自己或您团队的趣事吗？

每周一中午，我们小组都会聚餐，我经常会用“你最喜欢什么颜色？”这类问题来打开话题。上周我稍微改变了一下问法，转而问道：“你最不喜欢什么蔬菜？”最后大家就自己最不喜欢的蔬菜展开了有趣的讨论。这里我不想透露太多信息，我只能告诉你，茄子在我们团队中的口碑并不是很好！我认为我们的团队非常优秀，如果有幸看到这篇采访的读者想和我们一起工作，就赶快来联系我们吧！这里可以给您提供良好的工作环境。