2022年03月25日 10:39
【科學快訊】
來源：中國科學報
作者 | 趙廣立
一個世紀以來，科研人員們對量子世界的奇異現象進行的種種研究，直接或間接催生了眾多現代社會核心技術：激光、核磁共振成像、GPS、半導體電子乃至當前的計算機技術。
通往終極夢想的道路上，沿途每一枚看似不相幹的技術果實，都在加強人類對量子計算的理解，幫助科學家獲得操控量子比特和量子系統的能力。2003年，物理學家 Jonathan Dowling 和 Gerard Milburn提出了著名的「第二次量子革命」。
近20年過去，量子優越性已成事實，量子計算似乎迎來技術突破井噴的階段，成為最熱門的科學和工程話題之一。種種跡象都在暗示：第二次量子革命拐點將近。
攀登「高精度」
就在昨天（3月24日），來自中國的阿裏巴巴達摩院量子實驗室，公布了其最新研發的新型超導量子芯片，在該芯片上實現兩比特門99.72%的操控精度，達到此類比特的全球最佳水平。
阿裏達摩院最新公布的新型量子芯片
大約2個月前，澳大利亞新南威爾士大學團隊，實現了矽量子計算雙量子比特99.37%的保真度；
來自荷蘭的代爾夫特理工大學團隊，通過使用矽/矽鍺合金量子點的電子自旋，實現兩比特門99.65%保真度；
而日本RIKEN團隊同樣使用了該量子點雙電子系統，實現了兩量子比特門99.51%操控精度。
盡管使用的是不同的量子平台，全球量子科學家們似乎都在量子比特操控精度上想進一步，再進一步。
這是因為，操控精度是衡量量子芯片性能的一個核心指標。倘若量子操控精度不高，計算時錯誤會累積，便無法實現超越經典計算的能力。
人類曆史上探索量子計算所能達到的頂級表現，已證明了「量子優越性」：2019年，穀歌發布超導量子芯片「懸鈴木」，公布有效比特數53個，震驚世人；隨後兩年，來自中國科技大學的潘建偉團隊，先後發布76個光量子的「九章」、56個超導量子的「祖沖之二號」，成功在兩類平台上實現「量子優越性」。
無論比特推進到多少，高精度的對量子比特的操控始終是實現有價值的量子計算的基石。因此，來自中國、澳大利亞、荷蘭和日本的最新突破才會顯得尤為引人注目。
達摩院量子實驗室負責人施堯耘告訴《中國科學報》，「更高精度」和「更多比特數」這兩個問題既有各自獨特的挑戰，同時也並非完全獨立。「後者要實現大規模的量子計算，也必須通過高精度的多比特芯片，而當系統規模變大，即使要保持同一精度，也會變得更加困難。」
尋找「新比特」
在尋找質量更高、更易實現操控的量子比特路上，科學家們往往為了千分之一的性能提高而孜孜不倦。
達摩院量子實驗室的最新突破，就是基於新型量子比特fluxonium。此前該比特的兩比特門操控精度為99.2%，由美國馬裏蘭大學研究團隊錄得。達摩院將這一指標提升至99.72%，接近傳統比特transmon達到的99.85%-99.86%。
阿裏達摩院最新公布的新型量子芯片
作為一種新型超導量子，fluxonium屬於後生力量。過去業界更熟悉的是相對成熟的transmon，也是穀歌、IBM等國際領先團隊等采用的超導量子。
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幹擾，並且fluxonium 也更接近於理想的 2 能級系統。因此，如果采用新型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。
於是，為了那理論上更優的「高精度」可能，來自達摩院量子實驗室、馬裏蘭大學、普林斯頓大學、芝加哥大學、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab等超導量子計算研究組，均在全球最大的物理學術會議之一的APS March Meeting 2022 年會上，分享了共數十個以fluxonium為主題的報告。
達摩院在fluxonium平台上對此前最高精度絕對值上0.52%的提升，相當於是對噪音65%的降低，已初步證明了fluxonium的理論潛力，施堯耘總結稱：「fluxonium不再是學術界演示原理的粗糙玩具，而已然成為可與主流平台爭鋒的工業級利器。」
「回旋式」探索
達摩院在量子計算的探索，也為全球科學家提供了寶貴的可借鑒的經驗。
德國Karlsruhe Institute of Technology研究團隊在其剛出爐的一篇最新論文中，第一句總結超導量子計算在工業界的成功，便引用了分別來自IBM、Rigetti、Alibaba 和 Google的工作。
在APS March Meeting 2022年會上，來自美國麻省理工學院的研究團隊，也對比分析了馬裏蘭大學團隊和達摩院量子實驗室團隊對達摩院公布的兩比特門操控上的數據和特色。
APS2022 March Meeting現場
看起來，fluxonium正成為學術界刮向產業界的一陣新旋風。這種新型的fluxonium量子比特，是否會取代transmon而成為業界主流？
沒人說得准。在第二次量子革命時代，最不缺的，似乎就是不確定性。
施堯耘告訴記者，量子計算的實現目前還處於基礎研究為主，回旋式工程化的階段，還沒有能力實現超越經典的實際應用。「之所以說回旋式，是因為工程化的具體技術目標和路徑還在探索之中，預期會有多次轉折。」他說。
在「高精度」打下了一定的技術基礎之後，「多比特」的目標也被擺在了達摩院量子計算團隊的桌面上。
「我們的確在啟動多比特的工作。」施堯耘說：「過去三年，實驗室一直以高精度為核心目標，但我們下一個階段的目標是‘可擴展的高精度’。」
據他解釋，達摩院量子實驗室將嘗試的比特數，不是為了最大化這個數字，或者進行「比特數競賽」，而是為了發現並克服規模化過程中影響精度的主要因素。
「所以未來我們的工作也不會有很多比特數。」施堯耘說，其他同仁在多比特上的成果驗證了已知技術在多比特集成上的可達的能力，但還沒有解決的是，如何在這麼大的系統上實現高精度。「我們希望通過最小的代價，也就是最小規模的芯片，去理解並解決此目標會碰到的核心問題。」
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
