“中國造”量子計算機首次亮相！持續(xù)突破！

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）日前，位于安徽省合肥市的中國首家量子計算公司本源量子實驗室首次向公眾開放。在本源量子實驗室一樓的展示大廳，可以看到4臺近2米高的大型機器。每一臺機器都有一個巨大的白色桶狀主體連接著多臺電子顯示屏，機器最耀眼的地方是，無數(shù)根金色或銀色的電線連接著金色的圓盤。



中國計算機學會(CCF)量子計算專業(yè)組副主任、合肥本源量子計算科技有限責任公司總經(jīng)理張輝博士向媒體介紹，白色桶狀主體是一個超低溫制冷系統(tǒng)和主動減振系統(tǒng)，為量子計算機的散熱及穩(wěn)定運行提供環(huán)境保障。量子計算機的核心——比指甲蓋還小的超導量子芯片裝在套桶的底部。


量子計算機的核心部件——量子芯片

合肥本源量子計算科技有限責任公司（簡稱“本源量子”），是國內(nèi)量子計算龍頭企業(yè)，2017年成立于合肥市高新區(qū)，團隊技術起源于中科院量子信息重點實驗室。

本源量子聚焦量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設，打造自主可控工程化量子計算機，圍繞量子芯片、量子計算測控一體機、量子操作系統(tǒng)、量子軟件、量子計算云平臺和量子計算科普教育核心業(yè)務，全棧研制開發(fā)量子計算，積極推動量子計算產(chǎn)業(yè)落地，聚焦生物科技、化學材料、金融分析、輪船制造、大數(shù)據(jù)等多行業(yè)領域，探索量子計算產(chǎn)業(yè)應用，爭搶量子計算核心專利。

量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的特點主要有運行速度較快、處置信息能力較強、應用范圍較廣等。與一般計算機比較起來，信息處理量愈多，對于量子計算機實施運算也就愈加有利，也就更能確保運算具備精準性。

據(jù)張輝博士介紹，海量數(shù)據(jù)每天都在爆炸性增長，人工智能行業(yè)數(shù)據(jù)量大概每3個月就會提升一倍?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)計算機能夠存儲的數(shù)據(jù)量有限，隔段時間就要刪除清理。事實上，這些歷史數(shù)據(jù)具有巨大的潛在價值。為了滿足數(shù)據(jù)的算力需求，經(jīng)典計算機的集成度一直在提升，晶體管不斷縮小。

然而如今晶體管的體積已經(jīng)很難再繼續(xù)縮小，這意味著傳統(tǒng)計算機已經(jīng)無法滿足算力需求，難以支撐行業(yè)對算力的苛求。量子計算機海量數(shù)據(jù)并行運算的優(yōu)勢，則可以助力人工智能、金融等行業(yè)發(fā)展，因而受到青睞。

電子發(fā)燒友此前報道過，本源量子已經(jīng)成功交付一臺量子計算機給用戶使用。該量子計算機的成功交付，意味著我國已經(jīng)成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。就如上文所言，本源量子聚焦量子計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設。據(jù)張輝博士透露，在本源量子實驗室還有國產(chǎn)首個量子計算機操作軟件系統(tǒng)“本源司南”。

據(jù)了解，本源量子已經(jīng)交付的這臺24比特超導量子計算機，搭載24比特超導量子芯片，其保真度、相干時間等各項技術指標均達到國際先進水平。從其官網(wǎng)可以看到，本源第一代超導24比特量子處理器夸父KF-C24-100，是基于電路量子電動力學體系構建的24位量子比特芯片。

超導量子芯片是基于對超導約瑟夫森結構進行改造，構造出超導量子比特，并通過耦合結構來實現(xiàn)多個超導量子比特的兩兩近鄰耦合。利用精確設計的脈沖序列，可以實現(xiàn)高保真度的量子邏輯門操作，進而能夠設計并演示量子算法。

夸父KF-C24-100具有幾大特性：1、操作數(shù)大：超導量子比特相干時間長，操作速度快，保真度高，總體能夠?qū)崿F(xiàn)上千次操作；2、工藝成熟：相對其他固態(tài)量子芯片體系，超導量子比特受材料缺陷的影響更小，利用成熟的納米加工技術，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)；3、可擴展性好：超導量子比特結構簡單，調(diào)控方便，極易擴展。

圖：本源第一代超導24比特量子處理器夸父KF-C24-100

量子芯片（QPU）是量子計算機的核心部件，這與傳統(tǒng)計算機的核心部件CPU不同。中科院量子信息重點實驗室副主任、本源量子創(chuàng)始人、首席科學家郭國平向媒體介紹，由于量子計算機體系尚處于初級階段，各國研究者正從已知的多種能產(chǎn)生量子效應的物理體系入手，試圖找到打造量子芯片的最好方式。目前量子芯片的物理制備體系有超導體系、半導體體系、離子阱體系、光學體系、中性原子體系、拓撲體系等。


量子計算機路線百花齊放

在多種量子技術發(fā)展路線中，超導量子比特較為領先。2019年，谷歌宣布開發(fā)出54個量子比特的超導量子芯片，其對一個電路采樣一百萬次只需200秒，而當時運算能力最強的超級計算機“頂點”需要一萬年，率先實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

在該領域，IBM公司去年11月宣布已經(jīng)制造出一種更強大的量子計算芯片，這款433個超導量子比特的Osprey芯片在IBM紐約年度量子峰會上亮相，其量子比特數(shù)是該公司2021年推出的127個量子比特的Eagle芯片的三倍多。

IBM的目標是在未來幾年穩(wěn)步提升量子計算能力，計劃在2025年推出一個超過4000個量子比特的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能夠比經(jīng)典計算機更快或更準確地解決一些問題，并為當今最強大的計算機只能作出估計的問題提供精確的解決方案。

離子阱技術路線，由于量子比特相干時間長、量子比特之間的連接性好、邏輯門操作保真度高等特點備受關注，現(xiàn)也已成為通用量子計算機發(fā)展中的領先路線之一。但離子阱量子計算機更難擴展，部分原因在于需要單獨的激光設備來控制每個離子。

在該領域，IonQ、Quantinuum、Oxford Ionics以及國內(nèi)的啟科量子、華翊量子等企業(yè)都在發(fā)力。美國初創(chuàng)公司IonQ此前聲稱，其開發(fā)出的方法能將多行離子封裝到一個芯片內(nèi)，量子比特的數(shù)量可能多達1024個。為了超越這個目標，IonQ還計劃采用模塊化方法，連接多個芯片。該公司發(fā)言人表示，在實驗室實驗中，捕獲離子的保真度已高達99.99%。

另外，霍尼韋爾的衍生公司Quantinuum去年7月宣布，通過表面阱中的一個結可以實現(xiàn)兩種不同類型的離子移動。在同一時間將成對的離子完整地傳送到一個結中的能力，對于擴展離子阱系統(tǒng)至關重要。這也是學術界、政府和工業(yè)界的離子阱研究人員多年來一直在尋求解決的技術難題。據(jù)稱，這是首次實現(xiàn)該技術，是離子阱量子計算領域的一個重大突破，是擴展高保真量子比特、大規(guī)模量子計算機的關鍵所在。

日前，國內(nèi)量子信息科創(chuàng)公司國開啟科量子技術（北京）有限公司（以下簡稱“啟科量子”）對外發(fā)布了由其“H-Bar”項目團隊研發(fā)的離子阱量子計算工程機——AbaQu 1.0，定名為“天算1號”。該工程機是國內(nèi)首臺離子阱量子計算工程機。

中山大學物理與天文學院教授、啟科量子首席科學家羅樂表示，離子阱技術是構建量子計算機的重要途徑，然而目前基于實驗室系統(tǒng)的離子阱量子計算機系統(tǒng)集成度低、構造復雜、操作困難。以工程化方式推進離子阱量子計算機的研制，是目前國內(nèi)外的焦點。

啟科量子此次通過模塊集成，將離子阱量子計算機的離子阱、工作環(huán)境、光學、測控四個分系統(tǒng)進行模塊化研制，初步實現(xiàn)了離子阱量子計算機的工程雛形。據(jù)羅樂介紹，離子阱量子計算工程機的實現(xiàn)，為下一步通過運行通用算法、標定“量子體積”等性能參數(shù)創(chuàng)造了良好條件。目前，啟科量子已經(jīng)把實現(xiàn)標準量子算法的運行作為今年工作的重中之重，希望通過算法演示和工程機工藝的迭代，向潛在用戶推廣。

除此之外，另一項中性原子技術也駛入快車道，可能很快也會突破1000個量子比特的障礙。
該技術使用聚焦的激光束（光鑷）捕獲中性原子，并用原子的電子態(tài)或原子核的自旋編碼量子比特。據(jù)哈佛大學的物理學家Giulia Semeghini介紹，這種方法已經(jīng)逐步發(fā)展了十多年，但現(xiàn)在它正在“蓬勃發(fā)展”。




還有一些處于起步階段或者概念階段的技術，比如硅自旋電子，這種方式是利用被硅等傳統(tǒng)半導體內(nèi)部電場捕獲的單個電子的自旋作為量子比特編碼信息。去年9月，QuTech團隊在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們設計并實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的6個硅基自旋量子比特處理器，能以較低誤差率運行，有助于實現(xiàn)基于硅的可擴展量子計算。比如拓撲量子比特，這種技術比傳統(tǒng)量子比特具有更低的錯誤率，微軟公司現(xiàn)在正致力于演示第一個拓撲量子比特。


小結

如今正處在數(shù)據(jù)爆炸式增長的時代，傳統(tǒng)計算機已經(jīng)難以滿足各行業(yè)對算力的需求。量子計算機因為具備海量數(shù)據(jù)并行運算的優(yōu)勢，備受青睞。如今各國都在致力于量子計算機的研制和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的建設。從目前的情況來看，我國在這個領域已經(jīng)具備領先地位。不過量子計算的研究仍然還處于初期階段，接下來還需要更多科研工作者、機構、企業(yè)投入其中，一起努力，持續(xù)取得新成績。