本文來自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/李彎彎。
日前，位于安徽省合肥市的中國首家量子計(jì)算公司本源量子實(shí)驗(yàn)室首次向公眾開放。在本源量子實(shí)驗(yàn)室一樓的展示大廳，可以看到4臺(tái)近2米高的大型機(jī)器。每一臺(tái)機(jī)器都有一個(gè)巨大的白色桶狀主體連接著多臺(tái)電子顯示屏，機(jī)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(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(CCF)量子計(jì)算專業(yè)組副主任、合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)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(gè)超低溫制冷系統(tǒng)和主動(dòng)減振系統(tǒng)，為量子計(jì)算機(jī)的散熱及穩(wěn)定運(yùn)行提供環(huán)境保障。量子計(jì)算機(jī)的核心——比指甲蓋還小的超導(dǎo)量子芯片裝在套桶的底部。
量子計(jì)算機(jī)的核心部件——量子芯片
合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱“本源量子”），是國內(nèi)量子計(jì)算龍頭企業(yè)，2017年成立于合肥市高新區(qū)，團(tuán)隊(duì)技術(shù)起源于中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
本源量子聚焦量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，打造自主可控工程化量子計(jì)算機(jī)，圍繞量子芯片、量子計(jì)算測(cè)控一體機(jī)、量子操作系統(tǒng)、量子軟件、量子計(jì)算云平臺(tái)和量子計(jì)算科普教育核心業(yè)務(wù)，全棧研制開發(fā)量子計(jì)算，積極推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)落地，聚焦生物科技、化學(xué)材料、金融分析、輪船制造、大數(shù)據(jù)等多行業(yè)領(lǐng)域，探索量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，爭(zhēng)搶量子計(jì)算核心專利。
量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)主要有運(yùn)行速度較快、處置信息能力較強(qiáng)、應(yīng)用范圍較廣等。與一般計(jì)算機(jī)比較起來，信息處理量愈多，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)實(shí)施運(yùn)算也就愈加有利，也就更能確保運(yùn)算具備精準(zhǔn)性。
據(jù)張輝博士介紹，海量數(shù)據(jù)每天都在爆炸性增長(zhǎng)，人工智能行業(yè)數(shù)據(jù)量大概每3個(gè)月就會(huì)提升一倍?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量有限，隔段時(shí)間就要?jiǎng)h除清理。事實(shí)上，這些歷史數(shù)據(jù)具有巨大的潛在價(jià)值。為了滿足數(shù)據(jù)的算力需求，經(jīng)典計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)已經(jīng)無法滿足算力需求，難以支撐行業(yè)對(duì)算力的苛求。量子計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，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(bào)道過，本源量子已經(jīng)成功交付一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)給用戶使用。該量子計(jì)算機(jī)的成功交付，意味著我國已經(jīng)成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國家。就如上文所言，本源量子聚焦量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)。據(jù)張輝博士透露，在本源量子實(shí)驗(yàn)室還有國產(chǎn)首個(gè)量子計(jì)算機(jī)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(tái)24比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，搭載24比特超導(dǎo)量子芯片，其保真度、相干時(shí)間等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。從其官網(wǎng)可以看到，本源第一代超導(dǎo)24比特量子處理器夸父KF-C24-100，是基于電路量子電動(dòng)力學(xué)體系構(gòu)建的24位量子比特芯片。
超導(dǎo)量子芯片是基于對(duì)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，構(gòu)造出超導(dǎo)量子比特，并通過耦合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)超導(dǎo)量子比特的兩兩近鄰耦合。利用精確設(shè)計(jì)的脈沖序列，可以實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門操作，進(jìn)而能夠設(shè)計(jì)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(dǎo)量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)其他固態(tài)量子芯片體系，超導(dǎo)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(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)；3、可擴(kuò)展性好：超導(dǎo)量子比特結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)控方便，極易擴(kuò)展。
圖：本源第一代超導(dǎo)24比特量子處理器夸父KF-C24-100
量子芯片（QPU）是量子計(jì)算機(jī)的核心部件，這與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的核心部件CPU不同。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、本源量子創(chuàng)始人、首席科學(xué)家郭國平向媒體介紹，由于量子計(jì)算機(jī)體系尚處于初級(jí)階段，各國研究者正從已知的多種能產(chǎn)生量子效應(yīng)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(dǎo)體系、半導(dǎo)體體系、離子阱體系、光學(xué)體系、中性原子體系、拓?fù)潴w系等。
量子計(jì)算機(jī)路線百花齊放
在多種量子技術(shù)發(fā)展路線中，超導(dǎo)量子比特較為領(lǐng)先。2019年，谷歌宣布開發(fā)出54個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子芯片，其對(duì)一個(gè)電路采樣一百萬次只需200秒，而當(dāng)時(shí)運(yùn)算能力最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”需要一萬年，率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。
在該領(lǐng)域，IBM公司去年11月宣布已經(jīng)制造出一種更強(qiáng)大的量子計(jì)算芯片，這款433個(gè)超導(dǎo)量子比特的Osprey芯片在IBM紐約年度量子峰會(huì)上亮相，其量子比特?cái)?shù)是該公司2021年推出的127個(gè)量子比特的Eagle芯片的三倍多。
IBM的目標(biāo)是在未來幾年穩(wěn)步提升量子計(jì)算能力，計(jì)劃在2025年推出一個(gè)超過4000個(gè)量子比特的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能夠比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快或更準(zhǔn)確地解決一些問題，并為當(dāng)今最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)只能作出估計(jì)的問題提供精確的解決方案。
離子阱技術(shù)路線，由于量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)、量子比特之間的連接性好、邏輯門操作保真度高等特點(diǎn)備受關(guān)注，現(xiàn)也已成為通用量子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的領(lǐng)先路線之一。但離子阱量子計(jì)算機(jī)更難擴(kuò)展，部分原因在于需要單獨(dú)的激光設(shè)備來控制每個(gè)離子。
在該領(lǐng)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(gè)芯片內(nèi)，量子比特的數(shù)量可能多達(dá)1024個(gè)。為了超越這個(gè)目標(biāo)，IonQ還計(jì)劃采用模塊化方法，連接多個(gè)芯片。該公司發(fā)言人表示，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，捕獲離子的保真度已高達(dá)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(gè)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)兩種不同類型的離子移動(dòng)。在同一時(shí)間將成對(duì)的離子完整地傳送到一個(gè)結(jié)中的能力，對(duì)于擴(kuò)展離子阱系統(tǒng)至關(guān)重要。這也是學(xué)術(shù)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(shù)難題。據(jù)稱，這是首次實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，是離子阱量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，是擴(kuò)展高保真量子比特、大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的關(guān)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(shù)（北京）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“啟科量子”）對(duì)外發(fā)布了由其“H-Bar”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的離子阱量子計(jì)算工程機(jī)——AbaQu 1.0，定名為“天算1號(hào)”。該工程機(jī)是國內(nèi)首臺(tái)離子阱量子計(jì)算工程機(jī)。
中山大學(xué)物理與天文學(xué)院教授、啟科量子首席科學(xué)家羅樂表示，離子阱技術(shù)是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的重要途徑，然而目前基于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的離子阱量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成度低、構(gòu)造復(fù)雜、操作困難。以工程化方式推進(jìn)離子阱量子計(jì)算機(jī)的研制，是目前國內(nèi)外的焦點(diǎn)。
啟科量子此次通過模塊集成，將離子阱量子計(jì)算機(jī)的離子阱、工作環(huán)境、光學(xué)、測(cè)控四個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行模塊化研制，初步實(shí)現(xiàn)了離子阱量子計(jì)算機(jī)的工程雛形。據(jù)羅樂介紹，離子阱量子計(jì)算工程機(jī)的實(shí)現(xiàn)，為下一步通過運(yùn)行通用算法、標(biāo)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量子算法的運(yùn)行作為今年工作的重中之重，希望通過算法演示和工程機(jī)工藝的迭代，向潛在用戶推廣。
除此之外，另一項(xiàng)中性原子技術(shù)也駛?cè)肟燔嚨?，可能很快也?huì)突破1000個(gè)量子比特的障礙。
該技術(shù)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(xué)的物理學(xué)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(shù)，比如硅自旋電子，這種方式是利用被硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)捕獲的單個(gè)電子的自旋作為量子比特編碼信息。去年9月，QuTech團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的6個(gè)硅基自旋量子比特處理器，能以較低誤差率運(yùn)行，有助于實(shí)現(xiàn)基于硅的可擴(kuò)展量子計(jì)算。比如拓?fù)淞孔颖忍兀@種技術(shù)比傳統(tǒng)量子比特具有更低的錯(cuò)誤率，微軟公司現(xiàn)在正致力于演示第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>
小結(jié)
如今正處在數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)的時(shí)代，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)已經(jīng)難以滿足各行業(yè)對(duì)算力的需求。量子計(jì)算機(jī)因?yàn)榫邆浜Ａ繑?shù)據(jù)并行運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)，備受青睞。如今各國都在致力于量子計(jì)算機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的建設(shè)。從目前的情況來看，我國在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)具備領(lǐng)先地位。不過量子計(jì)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(jī)構(gòu)、企業(yè)投入其中，一起努力，持續(xù)取得新成績(jī)。
