作者 | 趙廣立
一個世紀(jì)以來，科研人員們對量子世界的奇異現(xiàn)象進(jìn)行的種種研究，直接或間接催生了眾多現(xiàn)代社會核心技術(shù)：激光、核磁共振成像、GPS、半導(dǎo)體電子乃至當(dāng)前的計算機技術(shù)。
通往終極夢想的道路上，沿途每一枚看似不相干的技術(shù)果實，都在加強人類對量子計算的理解，幫助科學(xué)家獲得操控量子比特和量子系統(tǒng)的能力。2003年，物理學(xué)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(yōu)越性已成事實，量子計算似乎迎來技術(shù)突破井噴的階段，成為最熱門的科學(xué)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），來自中國的阿里巴巴達(dá)摩院量子實驗室，公布了其最新研發(fā)的新型超導(dǎo)量子芯片，在該芯片上實現(xiàn)兩比特門99.72%的操控精度，達(dá)到此類比特的全球最佳水平。
阿里達(dá)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(xué)團隊，實現(xiàn)了硅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(xué)團隊，通過使用硅/硅鍺合金量子點的電子自旋，實現(xiàn)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(tǒng)，實現(xiàn)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臺，全球量子科學(xué)家們似乎都在量子比特操控精度上想進(jìn)一步，再進(jìn)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(biāo)。倘若量子操控精度不高，計算時錯誤會累積，便無法實現(xiàn)超越經(jīng)典計算的能力。
人類歷史上探索量子計算所能達(dá)到的頂級表現(xiàn)，已證明了“量子優(yōu)越性”：2019年，谷歌發(fā)布超導(dǎo)量子芯片“懸鈴木”，公布有效比特數(shù)53個，震驚世人；隨后兩年，來自中國科技大學(xué)的潘建偉團隊，先后發(fā)布76個光量子的“九章”、56個超導(dǎo)量子的“祖沖之二號”，成功在兩類平臺上實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
無論比特推進(jìn)到多少，高精度的對量子比特的操控始終是實現(xiàn)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(dá)摩院量子實驗室負(fù)責(zé)人施堯耘告訴《中國科學(xué)報》，“更高精度”和“更多比特數(shù)”這兩個問題既有各自獨特的挑戰(zhàn)，同時也并非完全獨立?！昂笳咭獙崿F(xiàn)大規(guī)模的量子計算，也必須通過高精度的多比特芯片，而當(dāng)系統(tǒng)規(guī)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(zhì)量更高、更易實現(xiàn)操控的量子比特路上，科學(xué)家們往往為了千分之一的性能提高而孜孜不倦。
達(dá)摩院量子實驗室的最新突破，就是基于新型量子比特fluxonium。此前該比特的兩比特門操控精度為99.2%，由美國馬里蘭大學(xué)研究團隊錄得。達(dá)摩院將這一指標(biāo)提升至99.72%，接近傳統(tǒng)比特transmon達(dá)到的99.85%-99.86%。
阿里達(dá)摩院最新公布的新型量子芯片
作為一種新型超導(dǎo)量子，fluxonium屬于后生力量。過去業(yè)界更熟悉的是相對成熟的transmon，也是谷歌、IBM等國際領(lǐng)先團隊等采用的超導(dǎo)量子。
相對于電荷型的transmon，磁通型的 fluxonium 更能抵御電荷噪聲和電介質(zhì)損耗所帶來的干擾，并且fluxonium 也更接近于理想的 2 能級系統(tǒng)。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(jìn)容錯量子計算乃至量子計算的實用化至關(guān)重要。
于是，為了那理論上更優(yōu)的“高精度”可能，來自達(dá)摩院量子實驗室、馬里蘭大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、芝加哥大學(xué)、UC Berkeley、MIT/Lincoln Lab等超導(dǎo)量子計算研究組，均在全球最大的物理學(xué)術(shù)會議之一的APS March Meeting 2022 年會上，分享了共數(shù)十個以fluxonium為主題的報告。
達(dá)摩院在fluxonium平臺上對此前最高精度絕對值上0.52%的提升，相當(dāng)于是對噪音65%的降低，已初步證明了fluxonium的理論潛力，施堯耘總結(jié)稱：“fluxonium不再是學(xué)術(shù)界演示原理的粗糙玩具，而已然成為可與主流平臺爭鋒的工業(yè)級利器?！?/p>
“回旋式”探索
達(dá)摩院在量子計算的探索，也為全球科學(xué)家提供了寶貴的可借鑒的經(jīng)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(jié)超導(dǎo)量子計算在工業(yè)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(xué)院的研究團隊，也對比分析了馬里蘭大學(xué)團隊和達(dá)摩院量子實驗室團隊對達(dá)摩院公布的兩比特門操控上的數(shù)據(jù)和特色。
APS2022 March Meeting現(xiàn)場
看起來，fluxonium正成為學(xué)術(shù)界刮向產(chǎn)業(yè)界的一陣新旋風(fēng)。這種新型的fluxonium量子比特，是否會取代transmon而成為業(yè)界主流？
沒人說得準(zhǔn)。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(xiàn)目前還處于基礎(chǔ)研究為主，回旋式工程化的階段，還沒有能力實現(xiàn)超越經(jīng)典的實際應(yīng)用?！爸哉f回旋式，是因為工程化的具體技術(shù)目標(biāo)和路徑還在探索之中，預(yù)期會有多次轉(zhuǎn)折?！彼f。
在“高精度”打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)之后，“多比特”的目標(biāo)也被擺在了達(dá)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?！笔﹫蛟耪f：“過去三年，實驗室一直以高精度為核心目標(biāo)，但我們下一個階段的目標(biāo)是‘可擴展的高精度’?！?/p>
據(jù)他解釋，達(dá)摩院量子實驗室將嘗試的比特數(shù)，不是為了最大化這個數(shù)字，或者進(jìn)行“比特數(shù)競賽”，而是為了發(fā)現(xiàn)并克服規(guī)?；^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(shù)?！笔﹫蛟耪f，其他同仁在多比特上的成果驗證了已知技術(shù)在多比特集成上的可達(dá)的能力，但還沒有解決的是，如何在這么大的系統(tǒng)上實現(xiàn)高精度?！拔覀兿Ｍㄟ^最小的代價，也就是最小規(guī)模的芯片，去理解并解決此目標(biāo)會碰到的核心問題。”
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