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是用環形電路的磁通量作為量子比特，以其中的環形電流順時針和逆時針方向的反對稱和對稱疊加態分別代表量子比特的1、0狀態；

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

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。

不過在實踐層面，fluxonium的高操控精度比transmon更難實現。

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動態電感的急劇增加。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數量級的加速，極大的加速了量子芯片的設計優化。

• 控制：在另一個大幅提升大規模量子芯片設計能力的工作中，達摩院通過將芯片優化與量子操控都集成到梯度優化的框架中，在更大參數空間中高效聯合優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化方案，包括針對超導架構的單比特門通用優化編譯方案，針對超導芯片上的另一種原生操控SQiSW門的即時最優編譯方案等。該優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級利器。

這些歷經三年積累的成果，也體現了我們先高精度、后多比特的路徑選擇，差異化發展的冒險精神，以及穩扎穩打、系統性推進的研究風格。”

達摩院量子實驗室聚焦于量子計算機的實現，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未來科技城夢想小鎮，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，相關成果業已發表于Nature子刊《Nature Computational Science》，其核心算法為學界與業界廣泛采用。

來源：阿里云