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達(dá)摩院公布量子計(jì)算重大進(jìn)展,新型量子比特挑戰(zhàn)傳統(tǒng)比特

作者: 時間:2022-03-24 來源: 收藏

記者今日獲悉,在全球物理學(xué)盛會2022APS年會上,阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室公布了一系列最新進(jìn)展,包括材料、相干時長、門操控、編譯方案等,其中,采用新型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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202203/432375.htm

 

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圖1:阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室兩比特(fluxonium)操控精度99.72%

 

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,也是匯報(bào)機(jī)最新進(jìn)展的盛會。與會的除了學(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的主要國際企業(yè)團(tuán)隊(duì)。

 

量子實(shí)驗(yàn)室與全球科學(xué)家分享了8個學(xué)術(shù)報(bào)告。基于新型超導(dǎo)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)算平臺上實(shí)現(xiàn)的最高精度。

 

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圖2: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,長期為學(xué)界矚目。但這一理論優(yōu)勢的實(shí)現(xiàn),需要克服眾多技術(shù)難關(guān)。此次大會以fluxonium為主題的報(bào)告有數(shù)十個,報(bào)告團(tuán)隊(duì)除了達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室,還有來自馬里蘭大學(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,這依賴于理論、設(shè)計(jì)、仿真、材料、制備和控制多個課題上的突破和創(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),在相干時長這一最關(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)自動化的一個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數(shù)量級的加速,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(biāo)。

 

“打造可擴(kuò)展的高精度量子比特平臺,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爭鋒的工業(yè)級利器。” 阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人施堯耘說,“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。”

 

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)未來科技城夢想小鎮(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。



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