DAMOアカデミーが最新の量子コンピューティングの成果を発表、新しいプラットフォームは2ビットゲート精度99.72%を達成

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世界的な物理学イベントである2022 APS年次総会で、アリババDAMOアカデミー量子研究所は、材料、コヒーレンス持続時間、ゲート制御、量子コンピューティングコンパイルスキームなど、一連の最新の開発を発表しました。その中で、新しい量子ビットフラックスニウムを使用した2ビットゲート制御精度は99.72％で、このタイプのビットとしては世界最高レベルに達しました。

図：アリババDAMOアカデミー量子研究所は2ビット（フルクソニウム）制御精度が99.72％である

アメリカ物理学会（APS3月大会）は世界最大級の物理学学術会議の一つであり、量子コンピュータの最新の進歩を報告する一大イベントでもあります。学術機関のチームに加え、IBM、Google、Microsoft、Alibabaなど、量子コンピューティングに投資している大手国際企業のチームも会議に出席しました。

DAMOアカデミー量子研究所は、8つの学術レポートを世界中の科学者と共有しました。 DAMOアカデミー量子研究所は、新しい超伝導量子ビットフラックスニウムをベースに、2ビット量子チップの設計と製造に成功し、シングルビット操作精度99.97％、2ビットiSWAPゲート操作精度最大99.72％を達成し、このタイプのビットとして世界最高レベルを達成しました。その性能は、業界の主要な量子研究開発チームが使用する従来のトランスモンビットの性能に近いものです。同研究室は、このチップ上にもう1つのネイティブ2ビットゲートSQiSWも実装した。これはiSWAPよりも強力なコンパイル機能を備え、制御精度は99.72%で、これはすべての量子コンピューティングプラットフォーム上でこの量子ゲートが達成した最高の精度である。

図: アリババDAMOアカデミー量子研究所の2ビットフラックスニウム量子チップ

フルクソニウムはトランスモンよりも制御精度が高いという理論的利点があり、長い間学界の注目を集めてきました。しかし、この理論的な利点を実現するには、多くの技術的な困難を克服する必要があります。この会議では、フラクソニウムをテーマにした数十件の報告がありました。報告チームには、DAMO アカデミー量子研究所に加えて、メリーランド大学、プリンストン大学、シカゴ大学、カリフォルニア大学バークレー校、MIT/リンカーン研究所などのトップクラスの超伝導量子コンピューティング研究グループも含まれていました。 DAMOアカデミー量子研究所の最新の成果は、理論、設計、シミュレーション、材料、準備、制御など、複数のトピックにおけるブレークスルーとイノベーションに依存するフラクソニウムの利点を初めて実証しました。

DAMO アカデミーの量子研究所は、チタンアルミニウム窒化物 (TAN) 材料のエピタキシャル システムを使用して量子デバイスを製造する新しい方法を発明しました。この方法では、マイクロ波損失を極めて低く抑えながら、動的インダクタンスを大幅に増加させることができます。この材料は、量子研究室における次世代フラックスニウムチップの中核部品となることが期待されています。

チップ製造に関する別の話題として、DAMOアカデミー量子研究所が製造した窒化チタンベースの超伝導量子ビットは、最も重要な性能指標であるコヒーレンス時間で300マイクロ秒を繰り返し達成することができ、これは世界クラスです。

量子チップ設計の自動化における中心的な課題は、シミュレーション計算速度を向上させることです。このテーマでは、量子研究所が表面積分方程式法に基づく超伝導量子チップの電磁気シミュレーションツールを開発しました。一般的に使用されている有限要素法と比較して、回路パラメータとインターフェース損失の計算において2桁の高速化を実現し、量子チップの設計最適化を大幅に促進しました。

大規模量子チップ設計機能を大幅に改善するためのもう 1 つの取り組みとして、DAMO アカデミー量子研究所は、チップ最適化と量子操作の両方を勾配最適化フレームワークに統合し、より大きなパラメータ空間でビット設計とビット操作スキームを効率的に共同で最適化しました。

DAMOアカデミー量子研究所はまた、超伝導アーキテクチャのシングルビットゲートの一般的な最適化コンパイルスキームや、超伝導チップ上の別のネイティブ制御SQiSWゲートの即時最適コンパイルスキームなど、自社開発の超伝導量子チップの全体的なコンピューティングパフォーマンスの最適化スキームをフラックスニウム上で検証しました。この最適化ソリューションにより、量子チップの全体的なパフォーマンス指標を大幅に向上させることができます。

「スケーラブルで高精度な量子ビットプラットフォームの構築は、量子コンピューターを実現するための当社の中核戦略です。この8つのレポートは、フラクソニウムがもはや学術界で原理を示すための粗雑なおもちゃではなく、主流のプラットフォームと競合できる産業グレードの武器になっていることを示しています」と、アリババDAMOアカデミーの量子研究室長であるShi Yaoyun氏は述べています。「3年間にわたって蓄積されたこれらの成果は、高精度を優先し、マルチビットを後回しにする当社の歩み、差別化された開発に対する当社の冒険心、着実かつ体系的な進歩という当社の研究スタイルを反映しています。」

DAMOアカデミー量子研究所は量子コンピュータの実現に注力しており、Lab-1とLab-2という2つのハードウェア研究所を構築していると報告されています。後者は杭州市余杭区未来科学技術城夢の町に位置し、マルチビットを探索するための高精度の実験設備を備えた量子研究所を提供します。 DAMOアカデミー量子実験室はこれまで、自社開発の量子コンピューティングシミュレーター「Taizhang 2.0」と一連の応用事例をオープンソース化しており、関連成果はネイチャーの関連誌「Nature Computational Science」に掲載され、そのコアアルゴリズムは学界と産業界で広く利用されている。

DAMOアカデミー：私たちのすべての仕事は、普遍的な量子コンピューティングの実現を目指しています

以下はこの成果に関するQ&Aです。

1. 量子コンピューティングの探求において、アリババDAMOアカデミー量子研究所（AQL）が新しいタイプの量子ビットとしてフラックスニウムを選択した理由は何ですか？業界のほとんどの人が使用しているトランスモンビットとどう違うのでしょうか?

Alibaba DAMO Academy: 私たちがフラクソニウムを選んだのは、それが従来のビットの精度を上回る可能性があると信じており、この可能性はまだ十分に活用されていないからです。フラックスニウムをベースにした超伝導量子コンピュータの構築は、私たちが選択した「差別化された」開発ルートです。後発チームである私たちが、先駆的で革新的な取り組みを通じて「別レーンでの追い越し」を達成できることを期待しています。

量子コンピューティングを実現するために、超伝導、イオントラップ、量子ドット、トポロジーなど、さまざまな科学研究チームがさまざまな道筋を選択します。アリババDAMOアカデミー量子研究所は、量子コンピューティングを研究するために超伝導プラットフォームを選択しました。

トランスモンとフラクソニウムはどちらも超伝導回路で構成された超伝導量子ビットの一種ですが、ビット構造には大きな違いがあります。 Transmon は、回路内の電磁振動を刺激するかどうかを量子ビットの 1 または 0 の状態の表現として使用しますが、fluxonium は円形回路の磁束を量子ビットとして使用し、時計回りと反時計回りの方向の円形電流の反対称および対称の重ね合わせ状態がそれぞれ量子ビットの 1 または 0 の状態を表します。

構造上の違いにより、フラクソニウムはトランスモンよりも外部電荷ノイズによる干渉に強く、理想的な2レベルシステムに近いため、理論的にはより高い制御精度の利点を得ることができ、これはフォールトトレラントな量子コンピューティングの推進、さらには量子コンピューティングの実用的利点に極めて重要です。

しかし、フラクソニウムはトランスモンよりも調製が困難です。簡単な例を挙げると、トランスモンビットには 1 ～ 2 個のジョセフソン接合 (量子ビットを作成するための重要な回路要素) しか必要ありませんが、フラクソニウムビットには 100 個近く、あるいはそれ以上のジョセフソン接合が必要であり、量子ビットの実現に大きな困難をもたらします。

DAMOアカデミー量子研究所は、理論、設計、シミュレーション、材料、調製、制御における画期的な進歩と革新により、フラックスビットの安定した調製と、2ビットゲートの最大99.72%の精度の制御を実現し、このようなビットの世界最高レベルを達成しました。これまでの記録は、メリーランド大学のチームによる99.2%でした。

この成果は学界から注目を集めました。ドイツのカールスルーエ工科大学の研究チームが最近発表した「グラルモニウム：粒状アルミニウムナノ接合フラクソニウム量子ビット」（arXiv:2202.01776）と題された論文の最初の文では、業界における超伝導量子コンピューティングの成功が要約されており、IBM、リゲッティ、アリババ、グーグルの研究が引用されている。

2. 量子ビットの制御精度を向上させることがなぜ重要なのか?量子技術のレベルを測る最も重要な指標でしょうか？ 「マルチビット」と比べて実装の難しさはどうですか?

Alibaba DAMO Academy: 量子操作の精度が高くなければ、各ステップで大きな誤差が生じ、これらの誤差が蓄積され、複数回の計算を経ても有用な情報はごくわずかとなり、古典的なコンピューティングを超える機能を実現することは不可能になります。精度が、いわゆる誤り訂正閾値（99.9%以上）を超えるほど高くなると、量子誤り訂正符号を使用することで、いわゆるフォールトトレラント量子コンピューティングを実行できます。このとき、誤りは蓄積されず、継続的な誤り訂正によって非常に小さな範囲内に抑えられます。エラー訂正のしきい値内であっても、精度の向上によりエラー訂正コードのエンコードのコストが削減され、同じ計算を完了するために必要な物理ビット数と操作数が削減されます。

上記の理由から、操作精度は量子チップの性能を測定するための中核的な指標となります。

高精度とマルチビットという 2 つの問題にはそれぞれ固有の課題がありますが、完全に独立しているわけではありません。後者は、大規模量子コンピューティングの究極的な実現は高精度のマルチビットチップによって達成される必要があり、システム規模が大きくなると同じ精度を維持することさえ困難になるためです。過去 3 年間、当社は常に高精度を中核目標としてきましたが、次の段階の核心的な仕事の目標は「スケーラブルな高精度」です。このコンセプトは、高精度とマルチビットという 2 つの要素を組み合わせたもので、実行レベルでは、ビット数を最大化するのではなく、精度に影響を与える主な要因を発見して克服するという、マルチビット方向への取り組みに反映されます。

3. ドア制御精度とは何を意味しますか?トランスモンビットの制御精度の現在のレベルはどの程度ですか?すべての量子ビットの中で、ゲート制御精度が最も高い量子ビットはどれですか?どれくらい高いですか?

Alibaba Damo Academy: いわゆるゲート操作とは、量子ビットを使用して、iSWAP ゲート、SWAP ゲートなどの論理ゲート操作を実行することを指します。SWAP ゲートは、2 つのビットの状態の交換を指します。これらは、古典的なコンピューティングにおける AND、OR、NOT などの論理ゲート操作に似ています。ゲート制御の精度は、物理的に実装されたゲート制御が理想的な論理ゲート制御にどれだけ近いかを測定するものです。

現在、2つのトランスモンビットゲートの制御精度は最大99.85〜99.87％に達し、これはMITとIBMによって完成されました。

現在利用可能なすべての量子ビットの中で、2 ビットのゲート制御精度が最も高い量子ビットはイオン井戸内の Be イオンであり、その精度は 99.91% にも達します。

DAMOアカデミー量子研究所は、フラクソニウムビットが他の種類の量子ビットを上回る高精度のゲート操作を実現することが期待できると考えています。

4. DAMOアカデミー量子研究所の単一フラックスビットの制御精度は99.97％を超え、2ビットの制御精度は99.72％です。2つの量子ビットの制御精度が単一ビットの制御精度よりも低いのはなぜですか？ビット数が増えると制御精度が急激に低下するということでしょうか?

Alibaba Damo Academy: ここで 2 ビット操作の精度が低い理由は、2 ビット ゲートは実現がより難しい量子もつれ操作であるためです。単一ビット操作では量子もつれは必要ありません。これらはまったく異なる量子演算です。しかし、量子コンピュータは、異なる 2 ビットの組み合わせ間の 2 ビット ゲートを使用して多数のビットをエンタングルメントすることによってのみ、複雑な計算問題を解決できます。したがって、2 ビット ゲートの精度は、量子コンピューティング全体のボトルネックとなることが多く、分野全体で認識されている問題でもあります。

前述のように、2 ビット ゲートの動作精度が比較的低い理由は、2 ビット ゲートの実装が本質的に難しいためです。ビット数の多いチップでは、マルチビット演算は 1 ビット ゲートと 2 ビット ゲートの組み合わせで実装されますが、ビット数が増加するとシステム全体の制御精度は確かに急激に低下します。したがって、量子エラー訂正を実現し、エラーの蓄積を防ぐことが、量子コンピューティングを実現する唯一の方法です。

5. 現在、いくつかのチームが数十、数百の量子ビットを備えた量子コンピューティングのプロトタイプを開発しています。DAMO アカデミー量子研究所にとって、マルチビットは達成すべき次の目標ですか?

Alibaba DAMO アカデミー: 異なるチームがそれぞれ独自の状況や意見を持ち、異なる戦略を採用するのは当然です。こうしたマルチビットの探索は極めて困難であると想像できるため、私たちは非常に感謝しています。

ご質問に戻りますが、私たちは確かにマルチビットの作業を開始しています。しかし、次の段階の目標をより正確に表現すると、「スケーラブルな高精度」となります。マルチビットと高精度を別々のキューとして考慮しません。 「スケーラブルな高精度」は、マルチビットと高精度という量子コンピューティングの2つの重要な要素を統合します。「マルチビット」の純粋な目標と比較すると、実行レベルでは異なります。私たちが試みるビット数は、この数を最大化したり、他の人を上回ることではなく、スケールアッププロセスで精度に影響を与える主な要因を発見して克服することです。したがって、今後の私たちの仕事には多くのビットは含まれません。マルチビットに関する同僚たちの成果により、マルチビット統合における既知の技術の実現可能な能力が検証されました。したがって、彼らの仕事により、数百ビットの統合が原理的には解決済みの問題になります。解決されていないのは、このような大規模なシステムでどのようにして高い精度を達成するかということです。私たちは、この目標を最低コスト、つまり最小のチップサイズで達成する際に遭遇する中核的な問題を理解し、解決したいと考えています。

6. DAMOアカデミー量子研究所が発表した一連の成果は目を見張るものがあります。一般的な量子コンピューティングに貢献できるのはどれでしょうか?

Alibaba DAMO Academy: 私たちの取り組みはすべて、汎用的な量子コンピューティングの実現を目指しています。

DAMOアカデミー量子研究所の一連の成果は、フラクソニウムが実際に汎用量子コンピューティングプラットフォームに発展する可能性を秘めていることを予備的に証明​​しました。

同時に、DAMOアカデミー量子研究所は、2ビットチップ上にもう1つのネイティブ2ビットゲートSQiSWも実装しました。制御精度は99.72％で、これはすべての量子コンピューティングプラットフォーム上でこの量子ゲートが達成した最高の精度です。実験結果では、SQiSW ゲート操作は従来のゲート iSWAP よりも強力なコンパイル機能を備えており、量子コンピューティング用の潜在的な汎用 2 ビット ゲートとして使用できることも証明されています。

量子チップ設計の面では、DAMOアカデミー量子実験室は、表面積分方程式法に基づく超伝導量子チップの電磁気シミュレーションツールを開発し、従来の方法と比較して2桁の加速を実現し、量子チップ設計の自動最適化を大幅に促進しました。同時に、DAMOアカデミー量子実験室は、チップ最適化と量子操作を勾配最適化フレームワークに統合し、より大きなパラメータ空間でビット設計スキームとビット操作スキームを効率的に共同最適化し、大規模量子チップ設計機能を大幅に向上させました。

DAMO アカデミーの量子研究所が開発した超伝導量子チップの全体的なコンピューティング パフォーマンスの最適化ソリューションには、超伝導アーキテクチャのシングル ビット ゲートの一般的な最適化コンパイル ソリューションと、超伝導チップ上の別のネイティブ制御 SQiSW ゲートの即時最適コンパイル ソリューションが含まれています。この一連の最適化ソリューションにより、量子チップの全体的なパフォーマンス指標が大幅に向上しました。これは Fluxonium で検証されており、将来的には他のプラットフォームにも拡張できます。

7. アリババは以前、「Taizhang」量子回路シミュレーターをオープンソース化し、現在は量子チップの分野で画期的な進歩を遂げています。この2つの関係は何ですか？これは研究室が研究の方向性を変えたことを意味するのでしょうか?

Alibaba DAMO Academy: 量子コンピューティングの実現は、多くの側面での作業を必要とする体系的なプロジェクトです。 2 つのプロジェクトは直接関連しているようには見えませんが、どちらもフォールト トレラントな量子コンピューティングを実証するという中期目標を達成することを目指しています。 「Taizhang」は、「Alibaba Cloud Quantum Development Tool」（ACQDP）のコアコンピューティングエンジンです。 ACQDP は、ノイズをシミュレートし、エラー訂正コードとフォールト トレラント スキームのパフォーマンスを評価するために使用されます。このアプリケーションでは、Taizhang によってシミュレートされた入力量子回路は、当社のチップ設計と測定データから得られたノイズ モデルに基づきます。

私たちの進む道は明確かつ安定しています。私たちは、同僚による私たちの仕事の改善から恩恵を受けられることを期待して、ACQDP をオープンソース化しました。同時に、以前このプロジェクトを担当していたチームは現在、別のコア トピックに取り組んでいます。

8. 量子コンピューティングは現在どの開発段階にありますか?次のマイルストーンは何でしょうか?フォールトトレラントな量子コンピューティングを実現し、量子コンピューティングの実用的な利点の実現を促進するには、どれくらいの時間がかかるのでしょうか?

Alibaba DAMO Academy: 量子コンピューティングの抽象理論は比較的成熟していますが、その実装はまだ初期段階にあり、課題に満ちています。現在の理論と実践によれば、超高精度から始めて、論理ビットを実現するには数千の超高精度（99.9% 以上）物理ビットが必要です。将来の開発には 3 つのマイルストーンがあります。

まず、フォールトトレランスです。これには、エラーが蓄積されず、エラー率が非常に狭い範囲内に抑えられることが必要であり、そのためには数千の超高精度の物理ビットが必要です。

第二に、実用的な利点の達成です。これには、数十万の超高精度の物理ビットに対応する数百の論理ビットが必要です。

3つ目は、規模が大きいことです。これには、数百万の超高精度の物理ビットに対応するために数千の論理ビットが必要です。

もちろん、段階を分ける別の方法もあります。まず、量子コンピューティングの優位性を達成し、量子コンピューティングが従来のコンピューターでは実行できない特定のタスクを実行できることを証明することです。この作業は多くのチームによって完了しています。次に、NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）量子コンピューティング、つまりノイズの多い中規模量子コンピューティングを実現し、いくつかの実用的な問題を解決します。一部の学者は、私たちはこの段階にあると考えています。最後に、汎用量子コンピューターの実現です。

正直に言うと、量子コンピューティングはまだ非常に初期の段階にあります。我々は汎用的な量子コンピュータが登場すると信じていますが、量子コンピューティングの実用的な利点が実現されるまでには、まだ長い道のりがあります。

9. アリババDAMOアカデミーの量子研究所について簡単に紹介してください。

アリババDAMOアカデミー：アリババは2015年に量子科学の探究を始めました。2017年にはミシガン大学のYaoyun Shi教授がアリババに加わり、アリババ量子研究所（アリババ量子研究所）を設立し、量子コンピューティングの可能性を実現することを目標にアリババ独自の量子コンピューティング研究を開始しました。

DAMO アカデミー量子研究所チームは、太平洋の両側に位置する国際的な学際的な専門チームです。メンバーは、物理学、コンピューター サイエンス、電子工学、材料、化学など、さまざまな分野で研究経験を持っています。チームは、超伝導チップの設計、準備、測定、量子コンピュータ システムという 4 つの技術分野を担当しています。

DAMO アカデミー量子実験室は超伝導量子コンピュータの実現に注力しており、ラボ 1 とラボ 2 を構築しています。ラボ 2 は杭州市余杭区未来科学技術都市夢の町に位置し、DAMO アカデミー量子実験室にマルチビットの高精度を探求するための実験設備を提供しています。