达摩院量子计算最新成果亮相，新平台两比特门精度99.72%
达到此类比特全球最佳水平
在全球物理学盛会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、门操控、量子计算编译方案等，其中，采用新型量子比特fluxonium的两比特门操控精度99.72%，达到此类比特的全球最佳水平。
图：阿里巴巴达摩院量子实验室两比特（fluxonium）操控精度99.72%
美国物理学会年会（APS March Meeting）是全球最大的物理学术会议之一，也是汇报量子计算机最新进展的盛会。与会的除了学术机构团队外，还有IBM、谷歌、微软和阿里巴巴等投入量子计算的主要国际企业团队。
达摩院量子实验室与全球科学家分享了8个学术报告。基于新型超导量子比特fluxonium，达摩院量子实验室成功设计并制造出两比特量子芯片，实现了单比特操控精度99.97%，两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%，取得此类比特全球最佳水平，性能逼近业界主要量子研发团队采用的传统transmon比特。该实验室也在此芯片上实现了另一种比iSWAP编译能力更强的原生两比特门SQiSW，操控精度达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：阿里巴巴达摩院量子实验室两比特（fluxonium）量子芯片
fluxonium具备比transmon更高操控精度的理论优势，长期为学界瞩目。但这一理论优势的实现，需要克服众多技术难关。此次大会以fluxonium为主题的报告有数十个，报告团队除了达摩院量子实验室，还有来自马里兰大学、普林斯顿大学、芝加哥大学、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab等的顶尖超导量子计算研究组。达摩院量子实验室的最新成果，初步显现了fluxonium的优势，这依赖于理论、设计、仿真、材料、制备和控制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钛氮化铝（TAN）材料的外延体系制造量子器件的新方法，在极低的微波损耗下依然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fluxonium芯片的核心部件。
在另一个芯片制备的课题上，达摩院量子实验室制备的基于氮化钛的超导量子比特，在相干时长这一最关键的性能指标上，可重复地达到300微秒，具备世界一流水平。
量子芯片设计自动化的一个核心问题是提升仿真计算速度。在此课题上，量子实验室研发的基于表面积分方程方法的超导量子芯片电磁仿真工具，在电路参数和界面损耗的计算上，相比于通常采用的有限元方法取得了两个数量级的加速，极大地推进了量子芯片的设计优化。
在另一个大幅提升大规模量子芯片设计能力的工作中，达摩院量子实验室通过将芯片优化与量子操控都集成到梯度优化的框架中，在更大参数空间中高效联合优化比特设计方案与比特操控方案。
达摩院量子实验室还在fluxonium上验证了自研的超导量子芯片整体计算性能的优化方案，包括针对超导架构的单比特门通用优化编译方案，针对超导芯片上的另一种原生操控SQiSW门的即时最优编译方案等。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，是当前我们实现量子计算机的核心策略。这8个报告表明，fluxonium不再是学术界演示原理的粗糙玩具，而已然成为可与主流平台争锋的工业级利器。” 阿里巴巴达摩院量子实验室负责人施尧耘说，“这些历经三年积累的成果，也体现了我们先高精度、后多比特的路径选择，差异化发展的冒险精神，以及稳扎稳打、系统性推进的研究风格。”
据介绍，达摩院量子实验室聚焦量子计算机的实现，已建成Lab-1、Lab-2两座硬件实验室。后者坐落于杭州市余杭区未来科技城梦想小镇，为量子实验室提供了探索多比特上高精度的实验设施。此前，达摩院量子实验室已开源自研量子计算模拟器“太章2.0”及系列应用案例，相关成果业已发表于Nature子刊《Nature Computational Science》，其核心算法为学界与业界广泛采用。
达摩院：我们的所有工作，都是为了实现通用量子计算
以下为关于本次成果的Q&A
1、在量子计算的探索上，阿里巴巴达摩院量子实验室（AQL）为什么会选择fluxonium新型量子比特？它与业界多数采用的transmon比特有何区别？
阿里巴巴达摩院：选择fluxonium是因为我们相信它在精度上有超越传统比特的潜力，而这一潜力尚未被充分挖掘。打造fluxonium为平台的超导量子计算机，是我们“差异化”发展的路线选择，有希望使得我们作为后进团队，通过开拓性的创新工作，达到“换道超车”。
量子计算的实现，不同科研团队有不同的路径选择，比如超导、离子阱、量子点、拓扑等等。阿里巴巴达摩院量子实验室选择超导平台进行量子计算的探索。
transmon和fluxonium都是超导量子比特的一种，由超导电路构成，但二者在比特构造上有很大不同。transmon是用是否激发电路中的电磁震荡作为量子比特的1、0状态的表达，而fluxonium是用环形电路的磁通量作为量子比特，以其中的环形电流顺时针和逆时针方向的反对称和对称叠加态分别代表量子比特的1、0状态。
正因构造上的差异，fluxonium比transmon更能抵御外界电荷噪音的干扰，并且更接近于理想的2能级系统，因此理论上可获得更高操控精度的优势，这对推进容错量子计算乃至量子计算实用优势至关重要。
但是，fluxonium比transmon更难制备。一个简单例子是，一个transmon比特只需要1~2个约瑟夫森结（制备量子比特的关键电路元件），而一个fluxonium比特需要制备近百个乃至更多个约瑟夫森结，这给该量子比特的实现提出了巨大的困难。
达摩院量子实验室通过理论、设计、仿真、材料、制备和控制多个课题上的突破和创新，实现了fluxonium比特的稳定制备和精度高达99.72%的两比特门操控，取得此类比特全球最佳水平，此前纪录为马里兰大学团队的99.2%。
这一成果受到学术界关注。在不久前出炉的德国Karlsruhe Institute of Technology研究团队的一篇名为《Gralmonium: Granular Aluminum Nano-Junction Fluxonium Qubit》（arXiv:2202.01776）的论文中，第一句总结超导量子计算在工业界的成功，便引用了分别来自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。
2、为什么提升量子比特的操控精度这么重要？它是否是衡量量子技术水平的最重要指标？它的实现难度与“多比特”相比如何？
阿里巴巴达摩院：量子操控的精度不高的话，每一步有较大的错误，而且这些错误会累积，使得多次运算后，有用的信息微乎其微，从而无法达到超越经典计算的能力。当精度高到超过所谓纠错的阈值（大于99.9%）的时候，我们可以通过使用量子纠错码进行所谓的容错量子计算，这时候错误不会累加，而是在不断的纠错中被抑制在很小的范围内。即使在纠错的阈值内，提高精度也会减少纠错码编码的代价，从而减少完成同一计算所需要的物理比特和操作数量。
由于上述原因，操控精度是衡量量子芯片性能的一个核心指标。
高精度和多比特这两个问题既有各自独特的挑战，同时也并非完全独立。后者是因为最终实现大规模的量子计算必须通过高精度的多比特芯片，而当系统规模变大，即使要保持同一精度，也会变得更加困难。我们过去三年，一直以高精度为核心目标，而下一阶段的核心工作目标是“可扩展的高精度”。这个概念结合了高精度和多比特的两个因素，而在执行层面会体现在我们的多比特方向的努力，不会是为了最大化比特数，而是为了发现并克服影响精度的主要因素。
3、门操控精度指的是什么？目前transmon比特的操控精度在什么水平？所有量子比特中门操控精度最高的是哪一种量子比特？有多高？
阿里巴巴达摩院：所谓门操控，是指利用量子比特做一些逻辑门操控，如iSWAP门、SWAP门等，SWAP门指的是互换两个比特的状态，它们类似于经典计算中的与、或、非等逻辑门操控。门操控精度是物理上实现的门操控与理想的逻辑门操控两者之间接近程度的度量。
目前两个transmon比特门操控精度最高可达99.85~99.87%，由MIT和IBM完成。
在目前所有量子比特中，两比特门操控精度最高的是离子井中的Be离子构成的量子比特，高达99.91%。
达摩院量子实验室相信，fluxonium比特有望取得超越其他类型量子比特的高精度门操作。
4、达摩院量子实验室的单个fluxonium比特操控精度超越99.97%，两比特操控精度99.72%，为什么两量子比特比单比特操控精度低？这是否说明随着比特数的增多操控精度会急剧下降？
阿里巴巴达摩院：在这里两比特操控精度更低的原因是两比特门是一个更加难以实现的量子纠缠操作。而单比特的操作则不需要量子纠缠。它们是截然不同的两种量子操作。然而，只有使用在不同的两比特组合之间用两比特门把大量的比特纠缠在一起，量子计算机才能解决复杂的计算问题。因此，两比特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难题。
如上所述，两比特门的操作精度相对较低的原因是两比特门实现上的本质的困难。在一个比特数很多的芯片中，多比特的操作由单比特和两比特门的组合来实现，整个系统的操控精度的确会随着比特数的增多而急剧下降。因此，实现量子纠错，阻止错误的累加是实现量子计算的必由之路。
5、当前，已有团队研发出几十乃至上百个量子比特的量子计算原型机，对于达摩院量子实验室而言，多比特是否是下一个要实现的目标？
阿里巴巴达摩院：不同团队有各自情况和看法，以致采取不同的策略，是很自然的现象。这些多比特的探索我们非常赞赏，因为我们可以想象它们是极具挑战的。
回到您的问题，我们的确在启动多比特的工作。但我们下一个阶段的目标更准确的提法是“可扩展的高精度”。我们并不把多比特和高精度看成是独立的线索。“可扩展的高精度”统一了多比特和高精度这两个量子计算的要件，而和纯粹的以“多比特”为目标相比，在执行层面会有所不同：我们尝试的比特数，不是为了最大化这个数字，甚至为了超过别人，而是为了发现并克服规模化过程中影响精度的主要因素。所以未来我们的工作也不会有很多比特数。同仁在多比特上的成果验证了已知技术在多比特集成上的可达的能力。所以，他们的工作使得百级比特的集成在原则上对我们来说是一个已经解决了的问题。还没有解决的是如何在这么大的系统上实现很高的精度。我们希望通过最小的代价，也就是最小规模的芯片，去理解并解决为此目标会碰到的核心问题。
6、此次达摩院量子实验室公布的系列成果琳琅满目，有哪些可以贡献给通用量子计算？
阿里巴巴达摩院：我们的所有工作，都是为了实现通用量子计算。
达摩院量子实验室的系列成果，初步证明了fluxonium具有实际发展成为通用量子计算平台的潜力。
同时，达摩院量子实验室也在该两比特芯片上实现了另一种原生两比特门SQiSW，操控精度达99.72%，是该量子门在所有量子计算平台上实现的最高精度。实验结果也证明了，SQiSW门操控比经典门iSWAP编译能力更强，可作为量子计算潜在的通用的两比特门。
在量子芯片设计方面，达摩院量子实验室研发出基于表面积分方程方法的超导量子芯片电磁仿真工具，较经典方法取得两个数量级的加速，极大地推进了量子芯片设计自动化的优化；同时，达摩院量子实验室通过将芯片优化与量子操控都集成到梯度优化的框架中，在更大参数空间中高效联合优化比特设计方案与比特操控方案，大幅提升大规模量子芯片设计能力。
达摩院量子实验室自研的超导量子芯片整体计算性能的优化方案，包括针对超导架构的单比特门通用优化编译方案，针对超导芯片上的另一种原生操控SQiSW门的即时最优编译方案等。这一系列优化方案大幅提升了量子芯片的整体性能指标，在fluxonium上得到了验证，未来也可推广至其他平台。
7、 此前，阿里开源“太章”量子电路模拟器，如今在量子芯片领域取得突破，两者有何联系？是否说明实验室在研究线路上产生了变化？
阿里巴巴达摩院：量子计算的实现是个系统工程，需要很多方面的工作。这两个项目貌似没有直接联系，但都是为了实现演示容错量子计算这一中期目标。“太章”是“阿里云量子开发工具”(ACQDP)中的核心计算引擎。ACQDP将会用来模拟噪音和评估纠错码、容错方案的性能。在这一用途中，“太章”模拟的输入量子电路，将基于从我们芯片设计和实测数据的噪音模型。
我们的路线一直很清晰和稳定。我们已经把ACQDP开源，也是希望我们可以受益于同仁对我们工作的提升，同时之前负责这个项目的团队目前在攻坚另一个核心课题。
8、量子计算目前处于怎样的发展阶段？接下来的Milestone是什么？要达成容错量子计算，乃至推动量子计算的实用优势的实现，还有多久？
阿里巴巴达摩院：量子计算的抽象理论相对成熟，但是实现尚在早期，充满挑战。按照目前的理论和实际，从超高精度出发，一个逻辑比特的实现，需要千级的、超高精度（大于99.9%）的物理比特，未来发展有3个milestone：
第一，容错。这要求误差不会累加，错误率抑制在很小的范围内，需要几千个超高精度的物理比特；
第二，实用优势的达成。这需要百级的逻辑比特，对应十万级的超高精度物理比特；
第三，大规模。这样要求千级的逻辑比特，对应百万级的超高精度物理比特。
当然，也有另外一种阶段划分方式：首先，是实现量子计算优越性，证明量子计算能完成经典计算机无法完成的特定任务，这一工作已有不少团队完成；其次，是NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）的量子计算的达成，即含噪声的中等规模的量子计算，能解决一些有实用价值的问题，有些学者认为我们正处于这一阶段；最后，是通用量子计算机的实现。
实事求是地说，我们处于量子计算非常初期的阶段。我们相信一定会有通用量子计算机的出现，但要实现量子计算的实用优势，还非常遥远。
9、请简单介绍一下阿里巴巴达摩院量子实验室？
阿里巴巴达摩院：阿里巴巴从2015年开始探索量子科学，2017年密西根大学教授施尧耘加入阿里巴巴，组建阿里巴巴量子实验室(Alibaba Quantum Laboratory, 达摩院量子实验室)，开始阿里巴巴自己的量子计算研究，目标是实现量子计算的潜力。
达摩院量子实验室团队是一支国际化、多学科的专业团队，地处太平洋两岸，成员具备来自物理、计算机、电子、材料、化学等不同专业的研究经验。团队覆盖四个技术领域，超导芯片的设计、制备和测量，以及量子计算机系统。
达摩院量子实验室聚焦超导量子计算机的实现，已建成Lab-1和Lab-2，后者坐落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探索多比特上高精度的实验设施。
