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

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(tǒng)transmon相比，fluxonium可以具備更高操控精度，長期為學界矚目。

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)形電流順時針和逆時針方向的反對稱和對稱疊加態(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。

從比特構造上來說，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(tǒng)。

不過在實踐層面，fluxonium的高操控精度比transmon更難實現(xiàn)。

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

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

這一研究成果的取得，依賴于理論、設計、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創(chuàng)新。近日，達摩院在全球物理學盛會2022APS年會上分享8個學術報告，公布在上述方面的多個成果：

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

• 設計：量子芯片設計自動化的一個核心問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(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，極大的加速了量子芯片的設計優(yōu)化。

• 控制：在另一個大幅提升大規(guī)模量子芯片設計能力的工作中，達摩院通過將芯片優(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。

阿里巴巴達摩院量子實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，是當前我們實現(xiàn)量子計算機的核心策略。這8個報告表明，fluxonium不再是學術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)性推進的研究風格。”

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

此前，達摩院量子實驗室已開源自研量子計算模擬器“太章2.0”及系列應用案例，相關成果業(yè)已發(fā)表于Nature子刊《Nature Computational Science》，其核心算法為學界與業(yè)界廣泛采用。

來源：阿里云