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達(dá)摩院|阿里達(dá)摩院公布新型量子芯片

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達(dá)摩院|阿里達(dá)摩院公布新型量子芯片

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達(dá)摩院|阿里達(dá)摩院公布新型量子芯片

【達(dá)摩院|阿里達(dá)摩院公布新型量子芯片】在阿里巴巴 ， 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 。

作者 | 趙廣立
成立 5 年 ， 阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室首次全面披露量子計(jì)算研究進(jìn)展“成績(jī)單” 。

3 月 24 日 ， 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(mén)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(mén)操控精度高達(dá)99.72% ， 達(dá)到該技術(shù)路線的全球最佳水平 。

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 ， 也是各方匯報(bào)量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展的盛會(huì) 。 與會(huì)者除了學(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) 。
會(huì)上 ， 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 。 “重頭戲”之一即：基于新型超導(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(mén)操控精度最高達(dá)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(tuán)隊(duì)采用的傳統(tǒng)transmon比特 。
同時(shí) ， 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(mén)SQiSW ， 操控精度達(dá)99.72% ， 是該量子門(mén)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
據(jù)了解 ， 相比傳統(tǒng)的transmon比特 ， fluxonium具備更高操控精度的理論優(yōu)勢(shì) ， 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) 。 此次會(huì)議上 ， 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)、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院/Lincoln Lab等的超導(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) ， 而這依賴(lài)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 ， 其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(wèn)題是提升仿真計(jì)算速度 。 在此課題上 ， 達(dá)摩院量子實(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(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(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 。
此外 ， 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(mén)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(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(biāo) 。

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