阿里達(dá)摩院公布新型量子芯片

在阿里巴巴，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(tái)爭(zhēng)鋒的工業(yè)級(jí)利器。

成立 5 年，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室首次全面披露量子計(jì)算研究進(jìn)展“成績(jī)單”。

3 月 24 日，全球物理學(xué)盛會(huì)2022APS年會(huì)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(shí)長(zhǎng)、門(mén)操控、量子計(jì)算編譯方案等。其中，采用新型量子比特fluxonium的兩比特門(mén)操控精度高達(dá)99.72%，達(dá)到該技術(shù)路線的全球最佳水平。

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(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)（APS March Meeting）是全球最大的物理學(xué)術(shù)會(huì)議之一，也是各方匯報(bào)量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展的盛會(huì)。與會(huì)者除了學(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(jì)算的主要國(guó)際企業(yè)團(tuán)隊(duì)。

會(huì)上，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室與全球科學(xué)家分享了8個(gè)學(xué)術(shù)報(bào)告?！爸仡^戲”之一即：基于新型超導(dǎo)量子比特fluxonium，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室成功設(shè)計(jì)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(mén)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。

同時(shí)，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(mén)SQiSW，操控精度達(dá)99.72%，是該量子門(mén)在所有量子計(jì)算平臺(tái)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

據(jù)了解，相比傳統(tǒng)的transmon比特，fluxonium具備更高操控精度的理論優(yōu)勢(shì)，但這一理論優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次會(huì)議上，以fluxonium為主題的報(bào)告有數(shù)十個(gè)，報(bào)告團(tuán)隊(duì)除了達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，還有來(lái)自馬里蘭大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、芝加哥大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院/Lincoln Lab等的超導(dǎo)量子計(jì)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(shì)，而這依賴于理論、設(shè)計(jì)、仿真、材料、制備和控制多個(gè)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，其在極低的微波損耗下依然能實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(gè)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(shí)長(zhǎng)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(jì)自動(dòng)化的一個(gè)核心問(wèn)題是提升仿真計(jì)算速度。在此課題上，達(dá)摩院量子實(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(jì)算上，相比于通常采用的有限元方法取得了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的加速，極大地推進(jìn)了量子芯片的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在另一個(gè)大幅提升大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)能力的工作中，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室通過(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(shù)空間中高效聯(lián)合優(yōu)化比特設(shè)計(jì)方案與比特操控方案。

此外，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(jì)算性能的優(yōu)化方案，包括針對(duì)超導(dǎo)架構(gòu)的單比特門(mén)通用優(yōu)化編譯方案，針對(duì)超導(dǎo)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(biāo)。

“打造可擴(kuò)展的高精度量子比特平臺(tái)，是當(dāng)前我們實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的核心策略。這8個(gè)報(bào)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(tái)爭(zhēng)鋒的工業(yè)級(jí)利器?！?nbsp;阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘說(shuō)：“這些經(jīng)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(xiǎn)精神，以及穩(wěn)扎穩(wěn)打、系統(tǒng)性推進(jìn)的研究風(fēng)格?！?/p>

據(jù)介紹，聚焦量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室已建成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(lái)科技城夢(mèng)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)室還開(kāi)源了自研量子計(jì)算模擬器“太章2.0”及系列應(yīng)用案例，相關(guān)成果已發(fā)表于Nature子刊Nature Computational Science。

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