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阿里巴巴達(dá)摩院公布量子計(jì)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(dá)到99.72%，達(dá)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(biāo)。

達(dá)摩院選擇的fluxonium是一種新型超導(dǎo)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(zhǎng)期為學(xué)界矚目。

fluxonium和transmon的比特構(gòu)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?duì)稱和對(duì)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(dá)。

從比特構(gòu)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(jí)系統(tǒng)。

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

例如在制備上，一個(gè)transmon比特只需要1~2個(gè)約瑟夫森結(jié)（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(jié)。

目前，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室成功設(shè)計(jì)制造出兩比特fluxonium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%，在此類(lèi)比特達(dá)全球最佳水平，是fluxonium優(yōu)勢(shì)從理論到實(shí)踐的重要一步。

這一研究成果的取得，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。近日，達(dá)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(bào)告，公布在上述方面的多個(gè)成果：

• 材料：達(dá)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(xiàn)動(dòng)態(tài)電感的急劇增加。該材料有望成為達(dá)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(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，達(dá)到世界一流水平。

• 設(shè)計(jì)：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，極大的加速了量子芯片的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

• 控制：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。

• 編譯：達(dá)摩院還在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)。

阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘表示：“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。

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(xiǎn)精神，以及穩(wěn)扎穩(wěn)打、系統(tǒng)性推進(jìn)的研究風(fēng)格。”

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室聚焦于量子計(jì)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(lái)科技城夢(mèng)想小鎮(zhèn)，用以提供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(kāi)源自研量子計(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