双量子比特操控精度，达摩院破世界纪录了？

在今年的美国物理学会年会（APS March Meeting）上，来自马里兰大学、普林斯顿大学、MIT/Lincoln Lab、阿里巴巴达摩院量子实验室（AQL）等顶尖超导量子计算研究组的全球科学家提交了以 fluxonium 为主题的几十个报告，在AQL的报告中显示，阿里达摩院量子实验室刚刚破了双量子比特操控精度的世界纪录。

达摩院团队基于新型超导量子比特 Fluxonium [1]成功设计制造的两比特量子处理器，实现了单比特操控精度超 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。

图1｜量子处理器架构

1. 容错量子计算梦

目前，投入在超导量子比特的科技巨头企业包括IBM、谷歌以及阿里巴巴等。

虽然量子计算的实现路径多样化，但超导量子比特为建立大规模量子计算机提供了一条被认为是有前途的道路。

简单而坚固的超导量子比特一直是领先的被推崇的平台，目前在[2-3]的企业和研究院已经实现了里程碑的突破。

然而，容错的量子计算要求量子比特操作的错误率要大大低于目前的技术水平[3]。因此，具有更好的错误保护的替代性超导量子比特是行业关注重点。

2. 寄予厚望的Fluxonium

其中，Fluxonium 是一个被寄予厚望的被选者，因为它具有大的非谐波性和长相干时间。这对制造大规模容错量子计算机至关重要。

现在，达摩院团队就是设计了基于Fluxonium的量子处理器，集成了高量子位相干性、快速频率可调性以及用于初始化、读出和门的单个量子位寻址能力。

具达摩院团队公开的工作显示，通过简单而快速的门方案，实现了99.97%的平均单量子位门保真度和高达99.72%的双量子位门保真度。按照这个数据，对比公开的成果，确实打破了现有超导芯片的已知记录。

这一性能与目前公开报道的文献中报道的超导线路的最高值相当。

因此，该团队的工作首次在超导量子比特领域揭示了一种可以替代和竞争的容错量子计算的方法。

图2｜双量子位门方案和基准测试结果

3. 少而精，胜过多而糙

衡量超导量子芯片质量有多个维度，过去IBM公司曾经提出了一个更衡量指标——量子体积[5]。

通常，简易的评价量子芯片的质量，可以从可用的物理量子比特数量，拓扑连接情况，T1、T2 [6-7]指标以及控制精度等来刻画。

只有量子比特数量的量子芯片，并不代表其性能超过少量量子比特的量子芯片。

但是在通识理解里，量子比特数量的多寡，被认为是量子计算芯片性能的体现。实际上，量子芯片中量子比特的质量相较于数量，前者更加重要。

因为量子比特的保证度会随着量子比特数量集成的增加变的更加脆弱，如果保真度低于一定的阈值，则是不可用于扩张规模化可用的量子芯片。

因此，此次达摩院团队的工作，对于以后大规模量子芯片集成，有了夯实的竞争基础，期待可以看得见且能为众人使用的硬件诞生。

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参考引用：

[1]https://arxiv.org/pdf/2111.13504.pdf

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5 Quantum supremacy using a programmable superconducting processor

[3]https://arxiv.org/abs/2106.14734  Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum  processor

[4] https://arxiv.org/pdf/2111.13504.pdf

[5]《量子客》量子体积https://mp.weixin.qq.com/s/ZBBQTVevS-sRSPXmm9R8rg

[6]《Qulib》关于T1的那些事. https://mp.weixin.qq.com/s/U32ODy20ZlNE_cWeyHWkhw

[7]《Qulib》关于T2的那些事. https://mp.weixin.qq.com/s/ZS0hYr9H8rMt6ozCemUgkw

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