達摩院推出“重頭戲”：打造與主流平臺爭鋒的工業(yè)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(xiàn)在量子信息還屬于前沿科學(xué)研究階段，從科學(xué)到科技，再到技術(shù)化應(yīng)用，是一段漫長的過程。在我國，以企業(yè)為主體的團隊一般是“研發(fā)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(dān)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(zhì)的量子芯片，實現(xiàn)突破也不是一蹴而就的，它的暗夜遠比大多數(shù)人想象的還要長。從“太章”的開發(fā)，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(xué)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(shù)路線的全球最佳水平。

會上，達摩院量子實驗室與全球科學(xué)家分享了8 個學(xué)術(shù)報告。“重頭戲”之一：基于fluxonium，達摩院量子實驗室成功設(shè)計并制造出兩比特量子芯片，實現(xiàn)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(yè)界主要量子研發(fā)團隊采用的傳統(tǒng)transmon 比特。

同時，該實驗室也在此芯片上實現(xiàn)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(xiàn)的最高精度。

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，但這一理論優(yōu)勢的實現(xiàn)需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次會議上，以fluxonium 為主題的報告有數(shù)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(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)院林肯實驗室等超導(dǎo)量子計算研究組。

小貼士

美國物理學(xué)會年會（APS March Meeting）是全球最大的物理學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)機構(gòu)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(yè)團隊。

達摩院量子實驗室的最新成果，初步顯現(xiàn)了fluxonium 的優(yōu)勢，而這依賴于理論、設(shè)計、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創(chuàng)新。

而達摩院也在這一盛會上分享了8 個學(xué)術(shù)報告，公布在上述方面的多個成果：

◆材料

達摩院發(fā)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(xiàn)動態(tài)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(dǎo)量子比特，在“相干時長”這一最關(guān)鍵的性能指標上，可重復(fù)地達到300 微秒，達到世界一流水平。

◆設(shè)計

量子芯片設(shè)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(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)和界面損耗的計算上，相比于通常采用的有限元方法取得了兩個數(shù)量級的加速，極大地提升了量子芯片的設(shè)計優(yōu)化。

◆控制

在另一個大幅提升大規(guī)模量子芯片設(shè)計能力的工作中，達摩院通過將芯片優(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(fā)的超導(dǎo)量子芯片整體計算性能的優(yōu)化方案，包括針對超導(dǎo)架構(gòu)的單比特門通用優(yōu)化編譯方案，針對超導(dǎo)芯片上的另一種原生操控SQiSW 門的即時最優(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。

“打造可擴展的高精度量子比特平臺，是當前我們實現(xiàn)量子計算機的核心策略。以上8 個報告表明，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爭鋒的工業(yè)級利器?！卑⒗锇桶瓦_摩院量子實驗室負責(zé)人施堯耘說，“這些經(jīng)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)展的冒險精神，以及穩(wěn)扎穩(wěn)打、系統(tǒng)性推進的研究風(fēng)格?！?/p>

據(jù)介紹，聚焦量子計算機的實現(xiàn)，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(qū)未來科技城夢想小鎮(zhèn)，為量子實驗室提供了探索多比特上高精度的實驗設(shè)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(yīng)用案例，相關(guān)成果已發(fā)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(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驗室（即現(xiàn)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(xiàn)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(xué)科的專業(yè)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(xué)等不同專業(yè)的研究經(jīng)驗。團隊覆蓋四個技術(shù)領(lǐng)域，超導(dǎo)芯片的設(shè)計、制備和測量，以及量子計算機系統(tǒng)。