先把一兩個量子位元的精度做到極致：阿里達摩院量子實驗室剛剛破了項世界紀錄
機器之心發表於2022-03-24
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，如搜尋、組合最佳化、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電晶體的那個時代，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資訊單位——量子位元說起。量子位元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。量子位元周圍環境的細微變化，比如振動、電場、磁場、宇宙輻射等，都可能對量子位元產生擾動，進而使疊加態坍縮，使量子位元失效，造成計算錯誤。而且，多個量子位元的錯誤會發生累積，使得量子計算機在多次運算後，有用的資訊微乎其微，從而無法達到超越經典計算的能力。由此可見，要想造出一臺理想的量子計算機，提高量子位元精度是繞不開的一項基礎工作。當量子位元精度高到超過糾錯閾值的時候，我們就可以透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位元和運算元量。在尋找更精確的量子位元的道路上，超導量子位元 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、整合和擴充套件，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。但受歡迎並不意味著精度最高。從理論上來說，比 transmon 精度更高的還有多種量子位元型別，比如同為超導量子位元的 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位元的 1、0 狀態的表達，而 fluxonium 是用環形電路的磁通量作為量子位元，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位元的 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 位元，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 位元只需要 1~2 個約瑟夫森結（製備量子位元的關鍵電路元件），而一個 fluxonium 位元需要製備近百個乃至更多個約瑟夫森結，這給該量子位元的實現帶來了巨大的困難。因此，業界多數採用 transmon 位元，而 fluxonium 位元更多是「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位元 fluxonium 成功設計製造的兩位元量子處理器，實現了單位元操控精度超 99.97%，兩位元 iSWAP 門操控精度最高達 99.72%，取得此類位元全球最佳水平，效能逼近業界主流的 transmon 位元（目前兩個 transmon 位元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晶片上實現了另一種比 iSWAP 編譯能力更強的原生兩位元門 SQiSW，操控精度達 99.72%，是該量子門在所有量子計算平臺上實現的最高精度。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位元（fluxonium）量子晶片。所謂門操控，是指利用量子位元做一些邏輯門操控，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。與單量子位元的門操控相比，兩位元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，我們需要實現兩位元糾纏門。因此，兩位元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、模擬、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 晶片的核心部件。在模擬方面，量子晶片設計自動化的一個核心問題是提升模擬計算速度，達摩院研發出一種基於表面積分方程方法的超導量子晶片電磁模擬工具。相比於通常採用的有限元方法，該團隊的新方法在電路引數和介面損耗的計算上，取得了兩個數量級的加速，極大地加速了量子晶片的設計最佳化。在設計方面，達摩院量子實驗室透過將晶片最佳化與量子操控都整合到梯度最佳化的框架中，在更大引數空間中高效聯合最佳化位元設計方案與位元操控方案，大幅提升了大規模量子晶片的設計能力。此外，達摩院還在 fluxonium 上驗證了自研的超導量子晶片整體計算效能的最佳化方案，包括針對超導架構的單位元門通用最佳化編譯方案，針對超導晶片上的另一種原生操控 SQiSW 門的即時最優編譯方案等。該最佳化方案可以大幅提升量子晶片的整體效能指標。儘管目前相比於 transmon 位元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 位元有望取得超越其他型別量子位元的高精度門操作。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（論文連結：https://arxiv.org/abs/2202.01776）。可以看出，為了提高量子位元的精度，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透過高精度的多位元晶片。也就是說，想實現可用的「多位元」，「高精度」是繞不開的，這就促使該實驗室選擇了「先精度、後多位元」的技術路線。具體來說，這一路線可以概括為：以研究超導硬體為核心，與主流形成差異化，在最基本的元件即量子位元上採取和領先團隊不同的位元型別，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（「多位元」），最終實現「可擴充套件的高精度」。選擇這一路線就意味著，「（阿里）量子實驗室現在沒有很多位元吸引大家注意，近期大機率也不會有。」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，量子位元的數量似乎更有吸引力，「很多人只關注位元數，對精度還有位元組織結構（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援。早在 2021 年 6 月的一次活動中，阿里巴巴董事會主席兼執行長張勇就表示，阿里巴巴將繼續堅定投入像量子計算、晶片等長期、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」。「打造可擴充套件的高精度量子位元平臺，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臺的潛力。」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。「以前我說沒有很多位元的時候有些尷尬，」剛為沒有很多位元「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位元做同樣複雜的計算，或者用同樣多的位元，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