對於關注科技革命的人來說，量子計算一直是一個激動人心的領域，人們希望用它來解決經典計算機難以解決的大規模、高維度計算難題，如搜索、組合優化、密碼破譯、藥物設計、新材料預測、天氣預測等等。但截至目前，大部分應用都還停留在願景階段，因為量子計算領域的很多基本問題都還沒有解決。當前的階段就相當於經典計算歷史上尋找晶體管的那個時代，具體使用哪一個物理載體實現大規模量子計算都還沒搞清楚。為什麼這一步走得那麼難呢？這還要從量子計算的基本信息單位——量子比特說起。量子比特本質上是處於疊加態的亞原子粒子，如電子、被束縛的離子或光子。量子比特周圍環境的細微變化，比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等，都可能對量子比特產生擾動，進而使疊加態坍縮，使量子比特失效，造成計算錯誤。而且，多個量子比特的錯誤會發生累積，使得量子計算機在多次運算後，有用的信息微乎其微，從而無法達到超越經典計算的能力。由此可見，要想造出一台理想的量子計算機，提高量子比特精度是繞不開的一項基礎工作。當量子比特精度高到超過糾錯閾值的時候，我們就可以通過使用量子糾錯碼進行所謂的容錯量子計算，這時候錯誤不會累加，而是在不斷的糾錯中被抑制在很小的範圍內。即使在糾錯的閾值內，提高精度也會減少糾錯碼編碼的代價，從而減少完成同一計算所需要的物理比特和操作數量。在尋找更精確的量子比特的道路上，超導量子比特 transmon 是近年來廣受關注的一種。它在 2007 年前後由耶魯的 Robert J. Schoelkopf 團隊開發完成，能夠有效壓制電荷噪聲，並且易於製備、集成和擴展，谷歌聲稱實現「量子優越性」的實驗就是在基於這個體系的量子計算機上實現的。但受歡迎並不意味着精度最高。從理論上來說，比 transmon 精度更高的還有多種量子比特類型，比如同為超導量子比特的 fluxonium。從構造上來講，transmon 是用是否激發電路中的電荷震盪作為量子比特的 1、0 狀態的表達，而 fluxonium 是用環形電路的磁通量作為量子比特，以其中磁通量所對應的環形電流方向（順時針或逆時針）的反對稱和對稱疊加分別代表量子比特的 1、0 狀態。因此，相對於電荷型的 transmon，磁通型的 fluxonium 更能抵禦電荷噪聲和電介質損耗所帶來的干擾。另外，fluxonium 也更接近於理想的 2 能級系統。如果採用 fluxonium 比特，量子計算就能獲得更高的操控精度，這對推進容錯量子計算乃至量子計算的實用化至關重要。但在實際製備中，fluxonium 比 transmon 更困難。舉一個簡單的例子，一個 transmon 比特只需要 1~2 個約瑟夫森結（製備量子比特的關鍵電路元件），而一個 fluxonium 比特需要製備近百個乃至更多個約瑟夫森結，這給該量子比特的實現帶來了巨大的困難。因此，業界多數採用 transmon 比特，而 fluxonium 比特更多是「學術界演示原理的粗糙玩具」。超高的難度激發了科學家們挑戰的熱情。在今年的美國物理學會年會（APS March Meeting，全球最大的物理學術會議之一）上，來自馬里蘭大學、普林斯頓大學、芝加哥大學、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab、阿里巴巴達摩院量子實驗室（AQL）等頂尖超導量子計算研究組的全球科學家提交了以 fluxonium 為主題的幾十個報告。
達摩院量子實驗室的報告顯示，該團隊基於新型超導量子比特 fluxonium 成功設計製造的兩比特量子處理器，實現了單比特操控精度超 99.97%，兩比特 iSWAP 門操控精度最高達 99.72%，取得此類比特全球最佳水平，性能逼近業界主流的 transmon 比特（目前兩個 transmon 比特門操控精度最高可達 99.85-99.87%，由 MIT 和 IBM 完成）。
達摩院量子實驗室也在該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台上實現的最高精度。AQL 的成果初步顯現出 fluxonium 比 transmon 具備更高操控精度的優勢。
圖：阿里巴巴達摩院量子實驗室兩比特（fluxonium）量子芯片。所謂門操控，是指利用量子比特做一些邏輯門操控，例如 iSWAP 門、SWAP 門等，它們類似於經典計算中的與、或、非等邏輯門操控。門操控精度是物理上實現的門操控與理想的邏輯門操控兩者之間接近程度的度量。與單量子比特的門操控相比，兩比特門的精確操控要更加難以實現，因為後者是一個量子糾纏操作。但要想用量子計算機實現通用計算，我們需要實現兩比特糾纏門。因此，兩比特門的精度往往是整個量子計算的瓶頸，也是整個領域公認的難題。為了克服這些難題，達摩院量子實驗室一直在理論、材料、仿真、設計、製備和控制等多個方向深入鑽研。在材料方面，該團隊發明了一種利用鈦氮化鋁（TAN）材料的外延體系製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量子實驗室下一代 fluxoinum 芯片的核心部件。在仿真方面，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，達摩院研發出一種基於表面積分方程方法的超導量子芯片電磁仿真工具。相比於通常採用的有限元方法，該團隊的新方法在電路參數和界面損耗的計算上，取得了兩個數量級的加速，極大地加速了量子芯片的設計優化。在設計方面，達摩院量子實驗室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，大幅提升了大規模量子芯片的設計能力。此外，達摩院還在 fluxonium 上驗證了自研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。儘管目前相比於 transmon 比特門操控精度還有一點差距，但達摩院量子實驗室相信，基於強大的理論優勢，fluxonium 比特有望取得超越其他類型量子比特的高精度門操作。這一成果也得到了學術界的肯定。在剛出爐的德國 Karlsruhe Institute of Technology 研究團隊的一篇文章中，開篇第一句描述了超導量子計算在工業界的成功，其引用的 4 篇論文分別來自：IBM, Rigetti, Alibaba 和 Google（論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2202.01776）。可以看出，為了提高量子比特的精度，阿里達摩院量子實驗室這些年真的花了不少功夫。但在他們看來，這一切都是值得的，因為最終實現大規模的量子計算必須通過高精度的多比特芯片。也就是說，想實現可用的「多比特」，「高精度」是繞不開的，這就促使該實驗室選擇了「先精度、後多比特」的技術路線。具體來說，這一路線可以概括為：以研究超導硬件為核心，與主流形成差異化，在最基本的元件即量子比特上採取和領先團隊不同的比特類型，並且優先提升小系統的質量（「高精度」），再逐步擴大系統的規模（「多比特」），最終實現「可擴展的高精度」。選擇這一路線就意味着，「（阿里）量子實驗室現在沒有很多比特吸引大家注意，近期大概率也不會有。」達摩院量子實驗室負責人施堯耘說道。因此，這一路線是非常考驗戰略定力的，畢竟在非業內人士看來，量子比特的數量似乎更有吸引力，「很多人只關注比特數，對精度還有比特組織結構（是線形還是網格），都不在意。」施堯耘坦言。好在，這一技術路線在阿里內部得到了堅定不移的支持。早在 2021 年 6 月的一次活動中，阿里巴巴董事會主席兼首席執行官張勇就表示，阿里巴巴將繼續堅定投入像量子計算、芯片等長期、基礎性研究（方向），要的是改變社會的長期的「大結果」。達摩院院長張建鋒也明確指出，「要聚焦，集中精力做好研究」。「打造可擴展的高精度量子比特平台，是當前我們實現量子計算機的核心策略。」施堯耘介紹說。當前，這一策略已經取得了階段性的成功。「我們歷經三年磨練取得的成果，初步證明了 fluxonium 具有實際發展成為通用量子計算平台的潛力。」達摩院量子實驗室實驗團隊負責人鄧純青博士在採訪中興奮地說道。「以前我說沒有很多比特的時候有些尷尬，」剛為沒有很多比特「道歉」的施堯耘也底氣十足地補充道，「但現在我這麼說很自豪，因為我們在高精度上已經衝到了業界前沿。可以看到，未來我們有望用更少的比特做同樣複雜的計算，或者用同樣多的比特，做別人無法做的計算。」https://baijiahao.baidu.com/s?id=1717382249543620727&wfr=spider&for=pchttps://zhuanlan.zhihu.com/p/188875819?utm_source=wechat_sessionhttps://finance.sina.com.cn/chanjing/cyxw/2021-02-08/doc-ikftssap4840142.shtml©THE END
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