本文经AI新媒体量子位授权转载（公众号ID：QbitAI），转载请联系出处。在全球物理盛会2022APS年会上，阿里巴巴达摩院量子实验室公布了一系列最新进展，包括材料、相干时长、门控、量子计算编译方案等，门控准确率为99.72%，达到了该类型钻头的世界最好水平。图：阿里巴巴达摩院量子实验室二位（酢）控制精度99.72%。除了学术机构团队，IBM、谷歌、微软、阿里巴巴等国际主要投资量子计算的企业团队也出席了会议。达摩院量子实验室与全球科学家分享了8篇学术报告。达摩院量子实验室基于新型超导量子位fluxonium，成功设计制造了两位量子芯片，单位控制精度达到99.97%，两位iSWAP门控精度高达99.72%。最好水平，性能接近业界主要量子研发团队采用的传统transmonbit。实验室还在该芯片上实现了另一种编译能力比iSWAP更强的原生二位门SQiSW，控制精度达到99.72%，是该量子门在所有量子计算平台上实现的最高精度。图片：阿里巴巴达摩院量子实验室的二位（fluxonium）量子芯片fluxonium具有比transmon更高的控制精度的理论优势，长期以来一直受到学术界的关注。然而，这一理论优势的实现需要攻克诸多技术难关。本次大会以fluxonium为主题的报告有数十篇。除了达摩院量子实验室，报告团队还有来自马里兰大学、普林斯顿大学、芝加哥大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院/林肯实验室等顶级超导量子计算课题组。达摩院量子实验室的最新成果初步展现了镨碱的优势，它依靠在理论、设计、模拟、材料、制备和控制等多个课题上的突破和创新。达摩院量子实验室发明了一种利用氮化钛铝（TAN）外延体系制造量子器件的新方法，在极低的微波损耗下仍能实现动态电感的急剧增加。该材料有望成为量子实验室下一代氟氧化铵芯片的核心组成部分。在另一个芯片制备课题上，达摩院量子实验室制备的基于氮化钛的超导量子比特，在最关键的相干时长性能指标上可重复达到300微秒，处于世界一流水平。等级。量子芯片设计自动化的一个核心问题是提高模拟计算的速度。在该课题上，量子实验室研制的基于表面积分方程法的超导量子芯片电磁仿真工具，在电路参数和界面损耗计算方面较常用的有限元法实现了两个数量级的加速，大大推进了量子芯片的设计优化。在另一项大幅提升大规模量子芯片设计能力的工作中，达摩院量子实验室将芯片优化和量子操纵集成到梯度优化的框架中，高效联合优化比特设计方案和比特操纵方案。达摩院量子实验室也在fluxonium上验证了自主研发的超导量子芯片整体计算性能优化方案，包括超导架构单比特门通用优化编译方案，以及超导芯片原生优化方案.操纵SQiSW门等的Just-in-time优化编译方案。该优化方案可以大幅提升量子芯片的整体性能指标。“打造可扩展的高精度量子比特平台是目前我们实现量子计算机的核心战略。这8份报告表明，fluxonium不再是学术界演示原理的粗糙玩具，而是成为可以与主流竞争的工业级平台平台。利器。”阿里巴巴达摩院量子实验室负责人施耀云表示，“这些三年积累的成果，也体现了我们先高精度后多位的路径选择，差异化发展的冒险精神，稳健进取的精神。稳步发展。系统的研究风格。”据介绍，达摩院量子实验室专注于量子计算机的实现，建设了Lab-1和Lab-2两个硬件实验室。后者位于杭州市余杭区未来科技城梦想小镇，为量子实验室提供探索多比特的高精度实验设施。此前，达摩院量子实验室开源了自主研发的量子计算模拟器“太丈2.0”等一系列应用案例。相关成果已发表在Nature子刊《Nature Computational Science》上，其核心算法已被学术界和工业界广泛采用。达摩院：我们所有的工作都是为了实现通用的量子计算。以下是关于该成就的Q&A1。在量子计算探索方面，阿里巴巴达摩院量子实验室（AQL）为何选择fluxonium的新量子比特？？它与大多数行业采用的传输位有何不同？阿里巴巴达摩院：我们选择fluxonium是因为我们认为它在精度上有超越传统比特的潜力，但是这个潜力还没有被完全挖掘出来。基于fluxonium平台构建超导量子计算机是我们“差异化”的发展路线选择。希望我们作为落后的队伍，通过开拓创新，实现“变道超车”。对于量子计算的实现，不同的科研团队有不同的路径可以选择，比如超导、离子阱、量子点、拓扑结构等等。阿里巴巴达摩院量子实验室选择超导平台探索量子计算。transmon和fluxonium都是超导量子比特的一种，都是由超导电路组成的，但是两者在比特结构上有很大的不同。Transmon以是否激发电路中的电磁振荡作为量子位的1和0状态的表达，而fluxonium以循环电路的磁通量为量子位，并以循环电流的反对称和对称叠加在顺时针和逆时针方向的状态分别代表量子比特的1和0状态。由于结构上的差异，fluxonium比transmon更能抵抗外界电荷噪声的干扰，更接近理想的2能级系统，因此理论上可以获得更高控制精度的优势，有利于推进容错量子计算甚至量子计算。计算实际优势至关重要。然而，fluxonium比transmon更难制备。举个简单的例子，一个transmon比特只需要1~2个约瑟夫森结（制作量子比特的关键电路元件），而一个fluxonium比特需要准备近百个甚至更多的约瑟夫森结，这就给量子比特的实现提出了很大的困难。通过在理论、设计、仿真、材料、制备和控制等方面的突破和创新，达摩院量子实验室实现了镨位的稳定制备和精度99.72%的二位门控制，实现了全球领先最好的水平，此前的记录是马里兰大学队的99.2%。这一结果引起了学术界的关注。德国卡尔斯鲁厄理工学院研究团队不久前发表的一篇名为《Gralmonium: Granular Aluminum Nano-Junction Fluxonium Qubit》（arXiv：2202.01776）的论文中，第一句话总结了业界超导量子计算的成功，引用了IBM的参考资料，该工作Rigetti、阿里巴巴和谷歌。2.为什么提高量子比特的控制精度如此重要？它是量子技术水平最重要的指标吗？它的实现难度与“多位”相比如何？阿里达摩院：如果量子控制的精度不高，每一步都会有很大的误差，这些误差会累积起来，以至于经过多次计算，有用的信息非常少，以至于无法实现超越经典计算。当精度高到超过所谓的纠错阈值（大于99.9%）时，我们就可以使用量子纠错码来进行所谓的容错量子计算。这时候错误不会累积起来，而是会在不断的纠错中被压制。在小范围内。即使在错误纠正的阈值内，提高精度也会降低编码错误纠正代码的成本，从而减少完成相同计算所需的物理位数和操作数。综上所述，操控精度是衡量量子芯片性能的核心指标。高精度和多比特这两个问题有其独特的挑战，但又不是完全独立的。后者是因为大规模量子计算的最终实现必须要经过高精度的多位元芯片，而当系统规模变大时，要保持同样的精度就会变得更加困难。过去三年，我们一直以高精度为核心目标，下一阶段的核心目标是“可扩展的高精度”。这个概念结合了高精度和多比特两个因素，而在实现层面，我们多比特的努力不会是最大化比特数，而是发现和克服影响精度的主要因素。3、什么是门控精度？目前transmonbits的控制精度水平如何？在所有量子位中，哪个量子位的门操作精度最高？多高？阿里达摩院：所谓gatemanipulation是指利用量子比特做一些逻辑门操作，比如iSWAPgate、SWAPgate等。SWAPgate是指交换两个bit的状态，类似于并且在经典计算中。、OR、NOT等逻辑门控制。门操作精度是物理实现的门操作与理想逻辑门操作的接近程度的度量。目前，两个transmon位门的控制精度最高可达99.85~99.87%，由MIT和IBM完成。在目前所有的量子比特中，离子阱中Be离子组成的量子比特的二位门控制精度最高，高达99.91%。达摩院量子实验室认为，fluxonium比特有望实现超越其他类型量子比特的高精度门运算。4、达摩院量子实验室单个fluxonium比特控制精度超过99.97%，两个量子比特控制精度达99.72%。为什么两个量子比特的控制精度低于单个比特？这是否意味着操作精度会随着位数的增加而急剧下降？阿里达摩院：这里之所以二位控制精度较低，是因为二位门是一个量子纠缠运算，实现起来比较困难。单位操作不需要量子纠缠。它们是两个不同的量子操作。然而，量子计算机只能通过在不同的双比特组合之间使用双比特门的大量比特纠缠来解决复杂的计算问题。因此，二位门的精度往往是整个量子计算的瓶颈，也是整个领域公认的问题。如上所述，二位门运算精度相对较低的原因是二位门实现的固有难度。在一个位数很多的芯片中，多位运算是通过单位门和两位门的组合实现的，随着位数的增加，整个系统的控制精度确实会急剧下降。因此，实现量子纠错，防止错误累积是实现量子计算的必由之路。5.目前，团队已经开发出几十甚至上百个量子比特的量子计算原型。对于达摩院的量子实验室来说，多比特是不是下一个要实现的目标？阿里巴巴达摩院：不同的团队由于自身的情况和观点，采取不同的策略是很自然的。我们赞赏这些多位探索，因为我们可以想象它们极具挑战性。回到你的问题，我们确实开始了多位工作。但我们下一阶段目标的更准确术语是“可扩展的高精度”。我们不将多位和高精度视为单独的线索。“Scalablehighprecision”统一了量子计算的两个要素，多比特和高精度，和单纯以“多比特”为目标相比，在实现层面会有所不同：我们尝试的比特数，不是最大化这个数字，甚至超越其他数字，而是在缩放过程中发现并克服影响准确性的主要因素。所以以后我们的工作不会有很多位。同事们在多位方面的成果，验证了已知技术在多位集成方面的可实现能力。因此，他们的工作原则上使数百位的集成成为我们解决的问题。尚未解决的是如何在如此大的系统上实现非常高的精度。我们希望通过最小的成本，即最小的芯片，来理解和解决这个目标中遇到的核心问题。6、达摩院量子实验室公布的一系列成果令人眼花缭乱。哪些可以为通用量子计算做出贡献？阿里巴巴达摩院：我们所有的工作都是为了实现通用的量子计算。达摩院量子实验室的一系列成果，初步证明了fluxonium具有真正发展成为通用量子计算平台的潜力。同时，达摩院量子实验室还在双位芯片上实现了另一个原生的双位门SQiSW，控制精度达到99.72%，是该量子门在所有量子计算平台上达到的最高精度.实验结果也证明SQiSW门比经典门iSWAP具有更强的编译能力，可以作为量子计算的潜在通用二位门。在量子芯片设计方面，达摩院量子实验室开发了基于表面积分方程法的超导量子芯片电磁仿真工具，相比经典方法实现了两个数量级的加速，大大促进了优化量子芯片设计自动化；同时，达摩院量子实验室将芯片优化和量子操控整合到梯度优化的框架中，在更大的参数空间内高效联合优化比特设计方案和比特操控方案，大大提升了大尺寸芯片的设计能力。规模量子芯片。法院量子实验室自主研发的超导量子芯片整体计算性能优化方案，包括超导架构单比特门通用优化编译方案，另一种原生控制SQiSW门即时优化方案在超导芯片上。优化编译方案等这一系列优化方案极大地提升了量子芯片的综合性能指标，已经在fluxonium上得到验证，未来可以扩展到其他平台。7、此前，阿里开源了“太章”量子电路模拟器，如今又在量子芯片领域取得了突破。两者之间有什么联系？是不是意味着实验室在研究路线上发生了变化？阿里巴巴达摩院：实现量子计算是一个系统工程，需要多方面的工作。这两个项目看起来没有直接关系，但都旨在展示容错量子计算的中期目标。“太章”是“阿里云量子开发工具”（ACQDP）中的核心计算引擎。ACQDP将用于模拟噪声并评估纠错码和容错方案的性能。在此应用中，太章模拟的输入量子电路将基于我们芯片设计和测量数据的噪声模型。我们的路线清晰而稳定。我们已经将ACQDP开源，希望能从同事对我们工作的改进中获益。与此同时，负责该项目的团队目前正在攻克另一个核心课题。8.量子计算目前处于什么发展阶段？下一个里程碑是什么？需要多长时间才能实现容错量子计算，甚至推动实现量子计算的实用优势？阿里巴巴达摩院：量子计算的抽象理论已经比较成熟，但其落地仍处于早期阶段，充满挑战。按照目前的理论和现实，从超高精度开始，一个逻辑位的实现需要千级、超高精度（大于99.9%）的物理位。未来的发展有三个里程碑：第一，容错。这要求错误不会累积，并且错误率被抑制在一个很小的范围内，需要数千个超高精度的物理位；二是实践优势的实现。这需要100级逻辑位，对应10万级超高精度物理位；三是规模大。这需要数千个逻辑位，对应数以百万计的超高精度物理位。当然，还有另外一种划分阶段的方式：首先是实现量子计算的优越性，证明量子计算可以完成经典计算机无法完成的特定任务。这项工作已经由多个团队完成；二是NIS??Q（NoisyIntermediate-ScaleQuantum）量子计算，即有噪声的中等规模量子计算，可以解决一些实际问题，有学者认为我们正处于这个阶段；最后是通用量子计算机的实现。老实说，我们正处于量子计算的早期阶段。我们相信会有一台通用的量子计算机，但距离量子计算的实际优势还有很长的路要走。9、请简单介绍一下阿里巴巴达摩院的量子实验室？阿里巴巴达摩院：阿里巴巴从2015年开始探索量子科学，2017年密歇根大学史耀云教授加入阿里巴巴，成立阿里巴巴量子实验室（AlibabaQuantumLaboratory、达摩院量子实验室），开始了阿里巴巴自己的量子计算研究以实现量子计算的潜力为目标。达摩院量子实验室团队是一支横跨太平洋两岸的国际化、多学科专业团队。成员具有物理、计算机、电子、材料、化学等不同专业的研究经验。团队涵盖超导芯片设计、制备与测量、量子计算机系统四个技术领域。达摩院量子实验室专注于超导量子计算机的实现，建有Lab-1和Lab-2。后者位于杭州市余杭区未来科技城梦想小镇，为达摩院量子实验室提供了诸多探索的可能。钻头上的高精度实验装置。
