在全球物理學(xué)盛會 2022APS 年會上，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室公布了一系列最新進(jìn)展，包括材料、相干時長、門操控、量子計算編譯方案等，其中，采用新型量子比特 fluxonium 的兩比特門操控精度 99.72%，達(dá)到此類比特的全球最佳水平。

圖：阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室兩比特(fluxonium)操控精度 99.72%

　　美國物理學(xué)會年會(APS March Meeting)是全球最大的物理學(xué)術(shù)會議之一，也是匯報量子計算機(jī)最新進(jìn)展的盛會。與會的除了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)外，還有 IBM、谷歌、微軟和阿里巴巴等投入量子計算的主要國際企業(yè)團(tuán)隊(duì)。

　　達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室與全球科學(xué)家分享了 8 個學(xué)術(shù)報告?；谛滦统瑢?dǎo)量子比特 fluxonium，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室成功設(shè)計并制造出兩比特量子芯片，實(shí)現(xiàn)了單比特操控精度 99.97%，兩比特 iSWAP 門操控精度最高達(dá) 99.72%，取得此類比特全球最佳水平，性能逼近業(yè)界主要量子研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用的傳統(tǒng) transmon 比特。該實(shí)驗(yàn)室也在此芯片上實(shí)現(xiàn)了另一種比 iSWAP 編譯能力更強(qiáng)的原生兩比特門 SQiSW，操控精度達(dá) 99.72%，是該量子門在所有量子計算平臺上實(shí)現(xiàn)的最高精度。

圖：阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室兩比特(fluxonium)量子芯片

　　fluxonium 具備比 transmon 更高操控精度的理論優(yōu)勢，長期為學(xué)界矚目。但這一理論優(yōu)勢的實(shí)現(xiàn)，需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次大會以 fluxonium 為主題的報告有數(shù)十個，報告團(tuán)隊(duì)除了達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，還有來自馬里蘭大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、芝加哥大學(xué)、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab 等的頂尖超導(dǎo)量子計算研究組。達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室的最新成果，初步顯現(xiàn)了 fluxonium 的優(yōu)勢，這依賴于理論、設(shè)計、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創(chuàng)新。

　　達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種利用鈦氮化鋁(TAN)材料的外延體系制造量子器件的新方法，在極低的微波損耗下依然能實(shí)現(xiàn)動態(tài)電感的急劇增加。該材料有望成為量子實(shí)驗(yàn)室下一代 fluxonium 芯片的核心部件。

　　在另一個芯片制備的課題上，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室制備的基于氮化鈦的超導(dǎo)量子比特，在相干時長這一最關(guān)鍵的性能指標(biāo)上，可重復(fù)地達(dá)到 300 微秒，具備世界一流水平。

　　量子芯片設(shè)計自動化的一個核心問題是提升仿真計算速度。在此課題上，量子實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的基于表面積分方程方法的超導(dǎo)量子芯片電磁仿真工具，在電路參數(shù)和界面損耗的計算上，相比于通常采用的有限元方法取得了兩個數(shù)量級的加速，極大地推進(jìn)了量子芯片的設(shè)計優(yōu)化。

　　在另一個大幅提升大規(guī)模量子芯片設(shè)計能力的工作中，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室通過將芯片優(yōu)化與量子操控都集成到梯度優(yōu)化的框架中，在更大參數(shù)空間中高效聯(lián)合優(yōu)化比特設(shè)計方案與比特操控方案。

　　達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室還在 fluxonium 上驗(yàn)證了自研的超導(dǎo)量子芯片整體計算性能的優(yōu)化方案，包括針對超導(dǎo)架構(gòu)的單比特門通用優(yōu)化編譯方案，針對超導(dǎo)芯片上的另一種原生操控 SQiSW 門的即時最優(yōu)編譯方案等。該優(yōu)化方案可以大幅提升量子芯片的整體性能指標(biāo)。

　　“打造可擴(kuò)展的高精度量子比特平臺，是當(dāng)前我們實(shí)現(xiàn)量子計算機(jī)的核心策略。這 8 個報告表明，fluxonium 不再是學(xué)術(shù)界演示原理的粗糙玩具，而已然成為可與主流平臺爭鋒的工業(yè)級利器。” 阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘說，“這些歷經(jīng)三年積累的成果，也體現(xiàn)了我們先高精度、后多比特的路徑選擇，差異化發(fā)展的冒險精神，以及穩(wěn)扎穩(wěn)打、系統(tǒng)性推進(jìn)的研究風(fēng)格。”

　　據(jù)介紹，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室聚焦量子計算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，已建成 Lab-1、Lab-2 兩座硬件實(shí)驗(yàn)室。后者坐落于杭州市余杭區(qū)未來科技城夢想小鎮(zhèn)，為量子實(shí)驗(yàn)室提供了探索多比特上高精度的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。此前，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室已開源自研量子計算模擬器“太章 2.0”及系列應(yīng)用案例，相關(guān)成果業(yè)已發(fā)表于 Nature 子刊《Nature Computational Science》，其核心算法為學(xué)界與業(yè)界廣泛采用。
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