达摩院最新突破：新型量子芯片操控精度99.72%创新高

阿里巴巴达摩院公布量子计算重大进展：自研新型 fluxonium 量子芯片两比特门操控精度达到 99.72%，达全球最高水平。

操控精度是衡量量子芯片性能的核心指标。达摩院选择的 fluxonium 是一种新型超导量子比特，在理论上，与传统 transmon 相比，fluxonium 可以具备更高操控精度，长期为学界瞩目。

fluxonium 和 transmon 的比特构造不同：
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；
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。
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。

目前，达摩院量子实验室成功设计制造出两比特 fluxonium 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%，达全球最佳水平，是 fluxonium 优势从理论到实践的重要一步。

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。

阿里巴巴达摩院量子实验室负责人施尧耘表示：

“ 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。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。”

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，后者坐落于杭州市余杭区未来科技城梦想小镇，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。

达摩院量子实验室在全球物理学盛会2022APS年会上分享的8份报告
A36.00007:Integrating QuantumProcessor Design and Controlin a Gradient-Based Framework
A36.00014:A Surface Integral Equation Method for the Superconducting QuantumDevice
B35.00003:Towards ultra-high fidelity quantum operations: SQiSWgate as a native two-qubit gate
D41.00010:Ultrahigh-inductancematerials from spinodal decomposition
K41.00003:Compiling ArbitrarySingle-Qubit Gates Via the Phase-Shifts of Microwave Pulses
K41.00013:Realizing high-fidelity and low-leakage gates in a fluxonium processor
Q41.00011:Titanium Nitride Film on Sapphire Substrate with Low Dielectric Loss for Superconducting Qubit
S41.00012:Understanding and mitigating decoherence in fluxonium qubits

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