在全球物理學(xué)盛會(huì ) 2022APS 年會(huì )上，阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室公布了一系列最新進(jìn)展，包括材料、相干時(shí)長(cháng)、門(mén)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(mén)操控精度 99.72%，達到此類(lèi)比特的全球最佳水平。

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

　　美國物理學(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，也是匯報量子計算機最新進(jìn)展的盛會(huì )。與會(huì )的除了學(xué)術(shù)機構團隊外，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)團隊。

　　達摩院量子實(shí)驗室與全球科學(xué)家分享了 8 個(gè)學(xué)術(shù)報告?；谛滦统瑢Я孔颖忍?fluxonium，達摩院量子實(shí)驗室成功設計并制造出兩比特量子芯片，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%，取得此類(lèi)比特全球最佳水平，性能逼近業(yè)界主要量子研發(fā)團隊采用的傳統 transmon 比特。該實(shí)驗室也在此芯片上實(shí)現了另一種比 iSWAP 編譯能力更強的原生兩比特門(mén) SQiSW，操控精度達 99.72%，是該量子門(mén)在所有量子計算平臺上實(shí)現的最高精度。

圖：阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室兩比特(fluxonium)量子芯片

　　fluxonium 具備比 transmon 更高操控精度的理論優(yōu)勢，長(cháng)期為學(xué)界矚目。但這一理論優(yōu)勢的實(shí)現，需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次大會(huì )以 fluxonium 為主題的報告有數十個(gè)，報告團隊除了達摩院量子實(shí)驗室，還有來(lái)自馬里蘭大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、芝加哥大學(xué)、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab 等的頂尖超導量子計算研究組。達摩院量子實(shí)驗室的最新成果，初步顯現了 fluxonium 的優(yōu)勢，這依賴(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。

　　達摩院量子實(shí)驗室發(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)現動(dòng)態(tài)電感的急劇增加。該材料有望成為量子實(shí)驗室下一代 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，具備世界一流水平。

　　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，量子實(shí)驗室研發(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，極大地推進(jìn)了量子芯片的設計優(yōu)化。

　　在另一個(gè)大幅提升大規模量子芯片設計能力的工作中，達摩院量子實(shí)驗室通過(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，在更大參數空間中高效聯(lián)合優(yōu)化比特設計方案與比特操控方案。

　　達摩院量子實(shí)驗室還在 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。

　　“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。” 阿里巴巴達摩院量子實(shí)驗室負責人施堯耘說(shuō)，“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。”

　　據介紹，達摩院量子實(shí)驗室聚焦量子計算機的實(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，為量子實(shí)驗室提供了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。
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