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在全球物理學(xué)盛會(huì)2022APS年會(huì)上，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室公布了一系列最新進(jìn)展，包括材料、相干時(shí)長(zhǎng)、門操控、量子計(jì)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99.72%，達(dá)到此類比特的全球最佳水平。

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

美國(guó)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(bào)量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展的盛會(huì)。與會(huì)的除了學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)外，還有IBM、谷歌、微軟和阿里巴巴等投入量子計(jì)算的主要國(guó)際企業(yè)團(tuán)隊(duì)。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室與全球科學(xué)家分享了8個(gè)學(xué)術(shù)報(bào)告?；谛滦统瑢?dǎo)量子比特fluxonium，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室成功設(shè)計(jì)并制造出兩比特量子芯片，實(shí)現(xiàn)了單比特操控精度99.97%，兩比特iSWAP門操控精度最高達(dá)99.72%，取得此類比特全球最佳水平，性能逼近業(yè)界主要量子研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用的傳統(tǒng)transmon比特。該實(shí)驗(yàn)室也在此芯片上實(shí)現(xiàn)了另一種比iSWAP編譯能力更強(qiáng)的原生兩比特門SQiSW，操控精度達(dá)99.72%，是該量子門在所有量子計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的最高精度。

圖：阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)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(shì)，長(zhǎng)期為學(xué)界矚目。但這一理論優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)，需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次大會(huì)以fluxonium為主題的報(bào)告有數(shù)十個(gè)，報(bào)告團(tuán)隊(duì)除了達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)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(dǎo)量子計(jì)算研究組。達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室的最新成果，初步顯現(xiàn)了fluxonium的優(yōu)勢(shì)，這依賴于理論、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。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)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(xiàn)動(dòng)態(tài)電感的急劇增加。該材料有望成為量子實(shí)驗(yàn)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(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，具備世界一流水平。

量子芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化的一個(gè)核心問題是提升仿真計(jì)算速度。在此課題上，量子實(shí)驗(yàn)室研發(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，極大地推進(jìn)了量子芯片的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

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)摩院量子實(shí)驗(yàn)室通過將芯片優(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(shè)計(jì)方案與比特操控方案。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室還在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)。

“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?！?阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘說(shuō)，“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?！?/p>

據(jù)介紹，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室聚焦量子計(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)，為量子實(shí)驗(yàn)室提供了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。

達(dá)摩院：我們的所有工作，都是為了實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算

以下為關(guān)于本次成果的Q&A

1、在量子計(jì)算的探索上，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室（AQL）為什么會(huì)選擇fluxonium新型量子比特？它與業(yè)界多數(shù)采用的transmon比特有何區(qū)別？

阿里巴巴達(dá)摩院：選擇fluxonium是因?yàn)槲覀兿嘈潘诰壬嫌谐絺鹘y(tǒng)比特的潛力，而這一潛力尚未被充分挖掘。打造fluxonium為平臺(tái)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，是我們“差異化”發(fā)展的路線選擇，有希望使得我們作為后進(jìn)團(tuán)隊(duì)，通過開拓性的創(chuàng)新工作，達(dá)到“換道超車”。

量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，不同科研團(tuán)隊(duì)有不同的路徑選擇，比如超導(dǎo)、離子阱、量子點(diǎn)、拓?fù)涞鹊?。阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室選擇超導(dǎo)平臺(tái)進(jìn)行量子計(jì)算的探索。

transmon和fluxonium都是超導(dǎo)量子比特的一種，由超導(dǎo)電路構(gòu)成，但二者在比特構(gòu)造上有很大不同。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)，而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)針方向的反對(duì)稱和對(duì)稱疊加態(tài)分別代表量子比特的1、0狀態(tài)。

正因構(gòu)造上的差異，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)，因此理論上可獲得更高操控精度的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)推進(jìn)容錯(cuò)量子計(jì)算乃至量子計(jì)算實(shí)用優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

但是，fluxonium比transmon更難制備。一個(gè)簡(jiǎn)單例子是，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)乃至更多個(gè)約瑟夫森結(jié)，這給該量子比特的實(shí)現(xiàn)提出了巨大的困難。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室通過理論、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，實(shí)現(xiàn)了fluxonium比特的穩(wěn)定制備和精度高達(dá)99.72%的兩比特門操控，取得此類比特全球最佳水平，此前紀(jì)錄為馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)的99.2%。

這一成果受到學(xué)術(shù)界關(guān)注。在不久前出爐的德國(guó)Karlsruhe Institute of Technology研究團(tuán)隊(duì)的一篇名為《Gralmonium: Granular Aluminum Nano-Junction Fluxonium Qubit》（arXiv:2202.01776）的論文中，第一句總結(jié)超導(dǎo)量子計(jì)算在工業(yè)界的成功，便引用了分別來(lái)自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。

2、為什么提升量子比特的操控精度這么重要？它是否是衡量量子技術(shù)水平的最重要指標(biāo)？它的實(shí)現(xiàn)難度與“多比特”相比如何？

阿里巴巴達(dá)摩院：量子操控的精度不高的話，每一步有較大的錯(cuò)誤，而且這些錯(cuò)誤會(huì)累積，使得多次運(yùn)算后，有用的信息微乎其微，從而無(wú)法達(dá)到超越經(jīng)典計(jì)算的能力。當(dāng)精度高到超過所謂糾錯(cuò)的閾值（大于99.9%）的時(shí)候，我們可以通過使用量子糾錯(cuò)碼進(jìn)行所謂的容錯(cuò)量子計(jì)算，這時(shí)候錯(cuò)誤不會(huì)累加，而是在不斷的糾錯(cuò)中被抑制在很小的范圍內(nèi)。即使在糾錯(cuò)的閾值內(nèi)，提高精度也會(huì)減少糾錯(cuò)碼編碼的代價(jià)，從而減少完成同一計(jì)算所需要的物理比特和操作數(shù)量。

由于上述原因，操控精度是衡量量子芯片性能的一個(gè)核心指標(biāo)。

高精度和多比特這兩個(gè)問題既有各自獨(dú)特的挑戰(zhàn)，同時(shí)也并非完全獨(dú)立。后者是因?yàn)樽罱K實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算必須通過高精度的多比特芯片，而當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模變大，即使要保持同一精度，也會(huì)變得更加困難。我們過去三年，一直以高精度為核心目標(biāo)，而下一階段的核心工作目標(biāo)是“可擴(kuò)展的高精度”。這個(gè)概念結(jié)合了高精度和多比特的兩個(gè)因素，而在執(zhí)行層面會(huì)體現(xiàn)在我們的多比特方向的努力，不會(huì)是為了最大化比特?cái)?shù)，而是為了發(fā)現(xiàn)并克服影響精度的主要因素。

3、門操控精度指的是什么？目前transmon比特的操控精度在什么水平？所有量子比特中門操控精度最高的是哪一種量子比特？有多高？

阿里巴巴達(dá)摩院：所謂門操控，是指利用量子比特做一些邏輯門操控，如iSWAP門、SWAP門等，SWAP門指的是互換兩個(gè)比特的狀態(tài)，它們類似于經(jīng)典計(jì)算中的與、或、非等邏輯門操控。門操控精度是物理上實(shí)現(xiàn)的門操控與理想的邏輯門操控兩者之間接近程度的度量。

目前兩個(gè)transmon比特門操控精度最高可達(dá)99.85~99.87%，由MIT和IBM完成。

在目前所有量子比特中，兩比特門操控精度最高的是離子井中的Be離子構(gòu)成的量子比特，高達(dá)99.91%。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室相信，fluxonium比特有望取得超越其他類型量子比特的高精度門操作。

4、達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室的單個(gè)fluxonium比特操控精度超越99.97%，兩比特操控精度99.72%，為什么兩量子比特比單比特操控精度低？這是否說(shuō)明隨著比特?cái)?shù)的增多操控精度會(huì)急劇下降？

阿里巴巴達(dá)摩院：在這里兩比特操控精度更低的原因是兩比特門是一個(gè)更加難以實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)才能解決復(fù)雜的計(jì)算問題。因此，兩比特門的精度往往是整個(gè)量子計(jì)算的瓶頸，也是整個(gè)領(lǐng)域公認(rèn)的難題。

如上所述，兩比特門的操作精度相對(duì)較低的原因是兩比特門實(shí)現(xiàn)上的本質(zhì)的困難。在一個(gè)比特?cái)?shù)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(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的操控精度的確會(huì)隨著比特?cái)?shù)的增多而急劇下降。因此，實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，阻止錯(cuò)誤的累加是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的必由之路。

5、當(dāng)前，已有團(tuán)隊(duì)研發(fā)出幾十乃至上百個(gè)量子比特的量子計(jì)算原型機(jī)，對(duì)于達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室而言，多比特是否是下一個(gè)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)？

阿里巴巴達(dá)摩院：不同團(tuán)隊(duì)有各自情況和看法，以致采取不同的策略，是很自然的現(xiàn)象。這些多比特的探索我們非常贊賞，因?yàn)槲覀兛梢韵胂笏鼈兪菢O具挑戰(zhàn)的。

回到您的問題，我們的確在啟動(dòng)多比特的工作。但我們下一個(gè)階段的目標(biāo)更準(zhǔn)確的提法是“可擴(kuò)展的高精度”。我們并不把多比特和高精度看成是獨(dú)立的線索?！翱蓴U(kuò)展的高精度”統(tǒng)一了多比特和高精度這兩個(gè)量子計(jì)算的要件，而和純粹的以“多比特”為目標(biāo)相比，在執(zhí)行層面會(huì)有所不同：我們嘗試的比特?cái)?shù)，不是為了最大化這個(gè)數(shù)字，甚至為了超過別人，而是為了發(fā)現(xiàn)并克服規(guī)?；^程中影響精度的主要因素。所以未來(lái)我們的工作也不會(huì)有很多比特?cái)?shù)。同仁在多比特上的成果驗(yàn)證了已知技術(shù)在多比特集成上的可達(dá)的能力。所以，他們的工作使得百級(jí)比特的集成在原則上對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)已經(jīng)解決了的問題。還沒有解決的是如何在這么大的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)很高的精度。我們希望通過最小的代價(jià)，也就是最小規(guī)模的芯片，去理解并解決為此目標(biāo)會(huì)碰到的核心問題。

6、此次達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室公布的系列成果琳瑯滿目，有哪些可以貢獻(xiàn)給通用量子計(jì)算？

阿里巴巴達(dá)摩院：我們的所有工作，都是為了實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室的系列成果，初步證明了fluxonium具有實(shí)際發(fā)展成為通用量子計(jì)算平臺(tái)的潛力。

同時(shí)，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室也在該兩比特芯片上實(shí)現(xiàn)了另一種原生兩比特門SQiSW，操控精度達(dá)99.72%，是該量子門在所有量子計(jì)算平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的最高精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了，SQiSW門操控比經(jīng)典門iSWAP編譯能力更強(qiáng)，可作為量子計(jì)算潛在的通用的兩比特門。

在量子芯片設(shè)計(jì)方面，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出基于表面積分方程方法的超導(dǎo)量子芯片電磁仿真工具，較經(jīng)典方法取得兩個(gè)數(shù)量級(jí)的加速，極大地推進(jìn)了量子芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化的優(yōu)化；同時(shí)，達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室通過將芯片優(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(shè)計(jì)方案與比特操控方案，大幅提升大規(guī)模量子芯片設(shè)計(jì)能力。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室自研的超導(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門的即時(shí)最優(yōu)編譯方案等。這一系列優(yōu)化方案大幅提升了量子芯片的整體性能指標(biāo)，在fluxonium上得到了驗(yàn)證，未來(lái)也可推廣至其他平臺(tái)。

7、 此前，阿里開源“太章”量子電路模擬器，如今在量子芯片領(lǐng)域取得突破，兩者有何聯(lián)系？是否說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室在研究線路上產(chǎn)生了變化？

阿里巴巴達(dá)摩院：量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)是個(gè)系統(tǒng)工程，需要很多方面的工作。這兩個(gè)項(xiàng)目貌似沒有直接聯(lián)系，但都是為了實(shí)現(xiàn)演示容錯(cuò)量子計(jì)算這一中期目標(biāo)?！疤隆笔恰鞍⒗镌屏孔娱_發(fā)工具”(ACQDP)中的核心計(jì)算引擎。ACQDP將會(huì)用來(lái)模擬噪音和評(píng)估糾錯(cuò)碼、容錯(cuò)方案的性能。在這一用途中，“太章”模擬的輸入量子電路，將基于從我們芯片設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的噪音模型。

我們的路線一直很清晰和穩(wěn)定。我們已經(jīng)把ACQDP開源，也是希望我們可以受益于同仁對(duì)我們工作的提升，同時(shí)之前負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)目前在攻堅(jiān)另一個(gè)核心課題。

8、量子計(jì)算目前處于怎樣的發(fā)展階段？接下來(lái)的Milestone是什么？要達(dá)成容錯(cuò)量子計(jì)算，乃至推動(dòng)量子計(jì)算的實(shí)用優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)，還有多久？

阿里巴巴達(dá)摩院：量子計(jì)算的抽象理論相對(duì)成熟，但是實(shí)現(xiàn)尚在早期，充滿挑戰(zhàn)。按照目前的理論和實(shí)際，從超高精度出發(fā)，一個(gè)邏輯比特的實(shí)現(xiàn)，需要千級(jí)的、超高精度（大于99.9%）的物理比特，未來(lái)發(fā)展有3個(gè)milestone：

第一，容錯(cuò)。這要求誤差不會(huì)累加，錯(cuò)誤率抑制在很小的范圍內(nèi)，需要幾千個(gè)超高精度的物理比特；

第二，實(shí)用優(yōu)勢(shì)的達(dá)成。這需要百級(jí)的邏輯比特，對(duì)應(yīng)十萬(wàn)級(jí)的超高精度物理比特；

第三，大規(guī)模。這樣要求千級(jí)的邏輯比特，對(duì)應(yīng)百萬(wàn)級(jí)的超高精度物理比特。

當(dāng)然，也有另外一種階段劃分方式：首先，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，證明量子計(jì)算能完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的特定任務(wù)，這一工作已有不少團(tuán)隊(duì)完成；其次，是NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的量子計(jì)算的達(dá)成，即含噪聲的中等規(guī)模的量子計(jì)算，能解決一些有實(shí)用價(jià)值的問題，有些學(xué)者認(rèn)為我們正處于這一階段；最后，是通用量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)事求是地說(shuō)，我們處于量子計(jì)算非常初期的階段。我們相信一定會(huì)有通用量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，但要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的實(shí)用優(yōu)勢(shì)，還非常遙遠(yuǎn)。

9、請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室？

阿里巴巴達(dá)摩院：阿里巴巴從2015年開始探索量子科學(xué)，2017年密西根大學(xué)教授施堯耘加入阿里巴巴，組建阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室(Alibaba Quantum Laboratory, 達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室)，開始阿里巴巴自己的量子計(jì)算研究，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)是一支國(guó)際化、多學(xué)科的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，地處太平洋兩岸，成員具備來(lái)自物理、計(jì)算機(jī)、電子、材料、化學(xué)等不同專業(yè)的研究經(jīng)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)覆蓋四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，超導(dǎo)芯片的設(shè)計(jì)、制備和測(cè)量，以及量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室聚焦超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，已建成Lab-1和Lab-2，后者坐落于杭州市余杭區(qū)未來(lái)科技城夢(mèng)想小鎮(zhèn)，為達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室提供了探索多比特上高精度的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。