荣登顶刊！阿里巴巴创下超导双量子比特门保真度世界纪录
1900年，著名物理学家开尔文在演讲中说，“动力学理论断言，热和光都是运动的方式，现在这种理论的优美性和清晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。”
后来这“两朵乌云”，一个引出了相对论，一个催生了量子力学。
一个多世纪过去了，尽管物理学家们尚未把云朵的秘密完全解开，但是人类已经初步学会利用它们了，量子计算便是探索和应用量子理论的一个重要领域。
量子计算与经典计算完全不同。传统的计算机可以理解由0或1构成的二进制指令，而量子比特可以同时是0和1，就像关在纸箱中的“薛定谔的猫”。
达摩院量子实验室稀释制冷机内部
量子计算拥有超越传统计算的潜能。比如，针对某个特定的量子问题，超级计算机需要超过1万年才能解出来，而采用量子计算可能只需要200秒就能得到答案。
7月8日，阿里巴巴达摩院开拓新型量子比特平台的研究在全球物理学顶刊《Physical Review Letters》最新第129期上发表，并被选为“编辑推荐”。
该期刊评议认为，达摩院成果在新型比特fluxonium的单一系统中实现了与主流transmon量子比特可相匹敌的高精度，可视为该领域一里程碑。
《Physical Review Letters》官网截图
在量子计算的探索上，达摩院量子实验室选择了fluxonium新型量子比特，与业界多数采用的transmon比特在比特构造上有很大不同，fluxonium可获得更高操控精度的优势，在实际芯片制备中也更为复杂。
达摩院新型量子比特fluxonium设计版图
fluxonium和transmon的比特构造不同：
1）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；
2）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。
3）从比特构造上来说，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。不过在实践层面，fluxonium的高操控精度比transmon更难实现。例如在制备上，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约瑟夫森结。
此次发表的达摩院成果，将两比特门操控精度大幅提升至99.72%，达全球同类比特最高水平；并在单一系统中鲁棒和高精度地实现了复位、读/写、单比特门等其他容错量子计算所需的基本操作。这些结果显示fluxonium的理论优势可转化到产业实践，也是达摩院量子实验室在理论、设计、仿真、材料、制备和控制等多个课题上的一次成果集中展示。
达摩院两比特（fluxonium）量子芯片
这一研究成果的取得，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。近日，达摩院在全球物理学盛会2022APS年会上分享8个学术报告，公布在上述方面的多个成果：
材料：达摩院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。该材料有望成为达摩院下一代fluxoinum芯片的核心部件。
制备：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，达到世界一流水平。
设计：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，达摩院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，极大的加速了量子芯片的设计优化。
控制：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
编译：达摩院还在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。
达摩院量子实验室负责人施尧耘说，“未来我们有望用更少的比特做同样复杂的计算，或者用同样多的比特，做别人无法做的计算。”达摩院量子实验室未来将深耕“以fluxonium为平台的可规模化高精度”，以差异化的创新路径，探索容错量子计算的核心技术。
关于阿里巴巴达摩院量子实验室：
达摩院量子实验室聚焦于量子计算机的实现，已建成Lab-1、Lab-2两座硬件实验室，后者用以提供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。