最新！阿里達摩院公布新型量子芯片

成立5年，阿里巴巴達摩院量子實驗室首次全面披露量子計算研究進展“成績單”。

3月24日，記者從阿里達摩院獲悉，在全球物理學盛會2022APS年會上，阿里巴巴達摩院量子實驗室公布了一系列最新進展，包括材料、相干時長、門操控、量子計算編譯方案等。其中，采用新型量子比特fluxonium的兩比特門操控精度高達99.72%，達到該技術路線的全球最佳水平。

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

美國物理學會年會（APS March Meeting）是全球最大的物理學術會議之一，也是各方匯報量子計算機最新進展的盛會。與會者除了學術機構團隊外，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團隊。

會上，達摩院量子實驗室與全球科學家分享了8個學術報告。“重頭戲”之一即：基于新型超導量子比特fluxonium，達摩院量子實驗室成功設計并制造出兩比特量子芯片，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%，取得此類比特全球最佳水平，性能逼近業界主要量子研發團隊采用的傳統transmon比特。

同時，該實驗室也在此芯片上實現了另一種比iSWAP編譯能力更強的原生兩比特門SQiSW，操控精度達99.72%，是該量子門在所有量子計算平臺上實現的最高精度。

圖：阿里巴巴達摩院量子實驗室兩比特（fluxonium）量子芯片

據了解，相比傳統的transmon比特，fluxonium具備更高操控精度的理論優勢，但這一理論優勢的實現需要克服眾多技術難關。此次會議上，以fluxonium為主題的報告有數十個，報告團隊除了達摩院量子實驗室，還有來自馬里蘭大學、普林斯頓大學、芝加哥大學、加州大學伯克利分校、麻省理工學院/Lincoln Lab等的超導量子計算研究組。

達摩院量子實驗室的最新成果，初步顯現了fluxonium的優勢，而這依賴于理論、設計、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創新。

達摩院量子實驗室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，其在極低的微波損耗下依然能實現動態電感的急劇增加。該材料有望成為量子實驗室下一代fluxonium芯片的核心部件。

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，具備世界一流水平。

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，達摩院量子實驗室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，極大地推進了量子芯片的設計優化。

在另一個大幅提升大規模量子芯片設計能力的工作中，達摩院量子實驗室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。

此外，達摩院量子實驗室還在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。

“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。” 阿里巴巴達摩院量子實驗室負責人施堯耘說：“這些經年積累的成果，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。”

據介紹，聚焦量子計算機的實現，達摩院量子實驗室已建成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，為量子實驗室提供了探索多比特上高精度的實驗設施。

此前，達摩院量子實驗室還開源了自研量子計算模擬器“太章2.0”及系列應用案例，相關成果已發表于Nature子刊Nature Computational Science。

 

關于最新取得的成果進展及其在量子計算研究的未來發展方向，《中國科學報》對話達摩院量子實驗室。

Q：在量子計算的探索上，阿里巴巴達摩院量子實驗室為什么會選擇fluxonium新型量子比特？它與業界多數采用的transmon比特有何區別？

A：選擇fluxonium是因為我們相信它在精度上有超越傳統比特的潛力，而這一潛力尚未被充分挖掘。

打造fluxonium為平臺的超導量子計算機，是我們“差異化”發展的路線選擇，有希望使得我們作為后進團隊，通過開拓性的創新工作，達到“換道超車”。

transmon和fluxonium都是超導量子比特的一種，但二者在比特構造上有很大不同。構造上的差異，使得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，因此理論上可獲得更高操控精度的優勢，這對推進容錯量子計算乃至量子計算實用優勢至關重要。

但是，fluxonium比transmon更難制備。例如，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個約瑟夫森結，這給該量子比特的實現提出了巨大的困難。

達摩院量子實驗室通過理論、設計、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創新，實現了fluxonium比特的穩定制備和精度高達99.72%的兩比特門操控，取得此類比特全球最佳水平，此前紀錄為馬里蘭大學團隊的99.2%。

這一成果也受到學術界關注。在不久前出爐的德國Karlsruhe Institute of Technology研究團隊的一篇名為《Gralmonium: Granular Aluminum Nano-Junction Fluxonium Qubit》（arXiv:2202.01776）的論文中，第一句話就是總結超導量子計算在工業界的成功，引用了分別來自IBM、Rigetti、阿里巴巴和 Google的工作。

Q：為什么提升量子比特的操控精度這么重要？

A：若量子操控的精度不高的話，每一步都會產生較大的錯誤，且這些錯誤會累積，使得多次運算后，有用的信息微乎其微，從而無法達到超越經典計算的能力。而當精度高到超過糾錯的閾值（大于99.9%）時，我們可以通過使用量子糾錯碼進行容錯量子計算，這時錯誤不會累加，而是在不斷的糾錯中被抑制在很小的范圍內。

并且，在糾錯的閾值內，提高精度也會減少糾錯碼編碼的代價，從而減少完成同一計算所需要的物理比特和操作數量。由于上述原因，操控精度是衡量量子芯片性能的一個核心指標。

Q：相比而言，“多比特”與提升量子比特的操控精度，哪個難度更大？

A：高精度和多比特這兩個問題既有各自獨特的挑戰，同時也并非完全獨立。

后者由于最終實現大規模的量子計算必須通過高精度的多比特芯片，而當系統規模變大，即使要保持同一精度，也會變得更加困難。

過去三年，我們一直以高精度為核心目標。下一階段，我們的核心工作目標是“可擴展的高精度”。這個概念結合了高精度和多比特的兩個因素，而在執行層面會體現在我們的多比特方向的努力，不會是為了最大化比特數，而是為了發現并克服影響精度的主要因素。

Q：達摩院量子實驗室的單個fluxonium比特操控精度超99.97%，兩比特操控精度99.72%，這是否說明隨著比特數的增多操控精度會急劇下降？

A：兩比特操控精度更低的原因是兩比特門是一個更加難以實現的量子糾纏操作，而單比特的操作則不需要量子糾纏。它們是截然不同的兩種量子操作。

然而，只有使用在不同的兩比特組合之間用兩比特門把大量的比特糾纏在一起，量子計算機才能解決復雜的計算問題。因此，兩比特門的精度往往是整個量子計算的瓶頸，也是整個領域公認的難題。

如上所述，兩比特門的操作精度相對較低的原因是兩比特門實現上的本質的困難。在一個比特數很多的芯片中，多比特的操作由單比特和兩比特門的組合來實現，整個系統的操控精度的確會隨著比特數的增多而急劇下降。因此，實現量子糾錯，阻止錯誤的累加是實現量子計算的必由之路。

Q：當前，已有團隊研發出幾十乃至上百個量子比特的量子計算原型機，對于達摩院量子實驗室而言，多比特是否是下一個要實現的目標？

A：這些多比特的探索我們非常贊賞，因為我們可以想象它們是極具挑戰的。

我們的確在啟動多比特的工作。但我們下一個階段的目標是“可擴展的高精度”，并不把多比特和高精度看成是獨立的線索。

“可擴展的高精度”統一了多比特和高精度這兩個量子計算的要件，而和純粹的以“多比特”為目標相比，在執行層面會有所不同：我們嘗試的比特數，不是為了最大化這個數字，也不是為了超過別人，而是為了發現并克服規模化過程中影響精度的主要因素。

所以，未來我們的工作也不會有很多比特數。同仁在多比特上的成果驗證了已知技術在多比特集成上的可達的能力，但有待解決的是，如何在這么大的系統上實現很高的精度。我們希望通過最小的代價，也就是最小規模的芯片，去理解并解決為此目標會碰到的核心問題。

Q：此前，阿里開源“太章”量子電路模擬器，如今在量子芯片領域取得突破，兩者有何聯系？是否說明實驗室在研究線路上產生了變化？

A：量子計算的實現是個系統工程，需要很多方面的工作。這兩個項目貌似沒有直接聯系，但都是為了實現演示容錯量子計算這一中期目標。

“太章”是“阿里云量子開發工具”(ACQDP)中的核心計算引擎。ACQDP將會用來模擬噪音和評估糾錯碼、容錯方案的性能。把ACQDP開源，也是希望可以受益于同仁對我們工作的提升。

之前負責這個項目的團隊目前正在攻堅另一個核心課題。

Q：量子計算目前處于怎樣的發展階段？接下來的里程碑有哪些？

A：量子計算的抽象理論相對成熟，但是實現尚在早期，充滿挑戰。

按照目前的理論和實際，從超高精度出發，一個邏輯比特的實現需要千級的、超高精度（大于99.9%）的物理比特，未來發展有3個里程碑：

第一，容錯技術成熟。這要求誤差不會累加，錯誤率抑制在很小的范圍內，需要幾千個超高精度的物理比特；

第二，實用優勢的達成。這需要百級的邏輯比特，對應十萬級的超高精度物理比特；

第三，大規模量子計算應用。這樣要求千級的邏輯比特，對應百萬級的超高精度物理比特。

當然，也有另外一種階段劃分方式：首先，是實現量子計算優越性，證明量子計算能完成經典計算機無法完成的特定任務，這一工作已有不少團隊完成；其次，是“含噪聲的中等規模的量子計算”的達成，它能解決一些有實用價值的問題；最后，是通用量子計算機的實現。

實事求是地說，我們處于量子計算非常初期的階段。我們相信一定會有通用量子計算機的出現，但要實現量子計算的實用優勢，還非常遙遠。

Q：請簡單介紹一下阿里巴巴達摩院量子實驗室？

A：阿里巴巴從2015年開始探索量子科學，2017年密西根大學教授施堯耘加入阿里巴巴，組建阿里巴巴量子實驗室（即后來的達摩院量子實驗室），開始阿里巴巴的量子計算研究，目標是實現量子計算的潛力。

達摩院量子實驗室團隊是一支國際化、多學科的專業團隊，地處太平洋兩岸，成員具備來自物理、計算機、電子、材料、化學等不同專業的研究經驗。團隊覆蓋四個技術領域，超導芯片的設計、制備和測量，以及量子計算機系統。