阿里巴巴達摩院公布量子計算重大進(jìn)展：自研新型fluxonium量子芯片兩比特門(mén)操控精度達到99.72%，達全球同類(lèi)比特最高水平。

操控精度是衡量量子芯片性能的核心指標。

達摩院選擇的fluxonium是一種新型超導量子比特，在理論上，與傳統transmon相比，fluxonium可以具備更高操控精度，長(cháng)期為學(xué)界矚目。

fluxonium和transmon的比特構造不同：

• fluxonium是用環(huán)形電路的磁通量作為量子比特，以其中的環(huán)形電流順時(shí)針和逆時(shí)針?lè )较虻姆磳ΨQ(chēng)和對稱(chēng)疊加態(tài)分別代表量子比特的1、0狀態(tài)；

• transmon是用是否激發(fā)電路中的電磁震蕩作為量子比特的1、0狀態(tài)的表達。

從比特構造上來(lái)說(shuō)，fluxonium比transmon更能抵御外界電荷噪音的干擾，并且更接近于理想的2能級系統。

不過(guò)在實(shí)踐層面，fluxonium的高操控精度比transmon更難實(shí)現。

例如在制備上，一個(gè)transmon比特只需要1~2個(gè)約瑟夫森結（制備量子比特的關(guān)鍵電路元件），而一個(gè)fluxonium比特需要制備近百個(gè)乃至更多約瑟夫森結。

目前，達摩院量子實(shí)驗室成功設計制造出兩比特fluxonium量子芯片，實(shí)現了單比特操控精度99.97%，兩比特iSWAP門(mén)操控精度最高達99.72%，在此類(lèi)比特達全球最佳水平，是fluxonium優(yōu)勢從理論到實(shí)踐的重要一步。

這一研究成果的取得，依賴(lài)于理論、設計、仿真、材料、制備和控制多個(gè)課題上的突破和創(chuàng )新。近日，達摩院在全球物理學(xué)盛會(huì )2022APS年會(huì )上分享8個(gè)學(xué)術(shù)報告，公布在上述方面的多個(gè)成果：

• 材料：達摩院發(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)現動(dòng)態(tài)電感的急劇增加。該材料有望成為達摩院下一代fluxoinum芯片的核心部件。

• 制備：在另一個(gè)芯片制備的課題上，達摩院量子實(shí)驗室制備的基于氮化鈦的超導量子比特，在相干時(shí)長(cháng)這一最關(guān)鍵的性能指標上，可重復地達到300微秒，達到世界一流水平。

• 設計：量子芯片設計自動(dòng)化的一個(gè)核心問(wèn)題是提升仿真計算速度。在此課題上，達摩院研發(fā)的基于表面積分方程方法的超導量子芯片電磁仿真工具，在電路參數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(gè)數量級的加速，極大的加速了量子芯片的設計優(yōu)化。

• 控制：在另一個(gè)大幅提升大規模量子芯片設計能力的工作中，達摩院通過(guò)將芯片優(yōu)化與量子操控都集成到梯度優(yōu)化的框架中，在更大參數空間中高效聯(lián)合優(yōu)化比特設計方案與比特操控方案。

• 編譯：達摩院還在fluxonium上驗證了自研的超導量子芯片整體計算性能的優(yōu)化方案，包括針對超導架構的單比特門(mén)通用優(yōu)化編譯方案，針對超導芯片上的另一種原生操控SQiSW門(mén)的即時(shí)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。

阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室負責人施堯耘表示：“打造可擴展的高精度量子比特平臺，是當前我們實(shí)現量子計算機的核心策略。這8個(gè)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。

這些歷經(jīng)三年積累的成果，也體現了我們先高精度、后多比特的路徑選擇，差異化發(fā)展的冒險精神，以及穩扎穩打、系統性推進(jìn)的研究風(fēng)格?！?/p>

達摩院量子實(shí)驗室聚焦于量子計算機的實(shí)現，已建成Lab-1、Lab-2兩座硬件實(shí)驗室，后者坐落于杭州市余杭區未來(lái)科技城夢(mèng)想小鎮，用以提供探索多比特上高精度的實(shí)驗設施。

此前，達摩院量子實(shí)驗室已開(kāi)源自研量子計算模擬器“太章2.0”及系列應用案例，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。

來(lái)源：阿里云