達摩院推出“重頭戲”：打造與主流平臺爭鋒的工業級利器

供圖/視覺中國

近日，阿里巴巴達摩院量子實驗室首次亮出量子計算研究進展“成績單”。

眾所周知，現在量子信息還屬于前沿科學研究階段，從科學到科技，再到技術化應用，是一段漫長的過程。在我國，以企業為主體的團隊一般是“研發團隊”而非真正的“科研團隊”，但達摩院似乎對自己的定位頗為不同，他們對自己寄予了“要對世界、對時代、對社會問題有擔當”的厚望。某種意義上說，達摩院能在量子計算前沿課題上做出突破，也離不開這樣的價值觀。

即便是這樣一個演示性質的量子芯片，實現突破也不是一蹴而就的，它的暗夜遠比大多數人想象的還要長。從“太章”的開發，到如今量子計算模擬器芯片的突破，量子團隊的“冷板凳”一坐就是將近5 年。

2022 年3 月24 日，在全球物理學盛會上，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（以下簡稱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。

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：基于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99.97%單比特操控精度，兩比特iSWAP 門操控精度最高達99.72%，達到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。

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、麻省理工學院林肯實驗室等超導量子計算研究組。

小貼士

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。

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。

而達摩院也在這一盛會上分享了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，極大地提升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。

阿里巴巴達摩院量子實驗室兩比特（fluxonium）量子芯片

◆編譯

達摩院還在fluxonium 上驗證了自主研發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。以上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，相關成果已發表于《自然》子刊中。

小貼士

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（即現在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。