中科大研制出自主知識產(chǎn)權(quán)量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

近日，在位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，數(shù)名研究人員正操作一臺20寸行李箱大小的儀器，進(jìn)行量子芯片的調(diào)試等操作。而在幾周之前，完成這些操作還需要滿滿一屋子的設(shè)備。

這臺行李箱大小的儀器，就是中科大郭光燦院士及其同事郭國平、孔偉成等近期成功研制出的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)——本源量子測控一體機(jī)。

“它小型化、專業(yè)高效，國產(chǎn)化水平較高。”中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任郭國平說，本源量子測控一體機(jī)是國內(nèi)第一款自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對量子芯片的操控并發(fā)揮其性能優(yōu)勢，它的成功研制是邁向量子計(jì)算機(jī)重要的一步。

能對大型量子芯片實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測控，發(fā)揮性能優(yōu)勢

量子測控一體機(jī)是一款能夠?qū)崿F(xiàn)對大型量子芯片精準(zhǔn)測控的產(chǎn)品。

郭國平拿經(jīng)典計(jì)算機(jī)來比喻：“其實(shí)量子芯片跟傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)CPU一樣，正常工作的時(shí)候需要一個(gè)控制系統(tǒng)去支持它，就好比我們的電腦主機(jī)里有主板、內(nèi)存、電源等一系列硬件，它們給處理器提供一個(gè)發(fā)揮功能的環(huán)境。量子芯片同樣需要這樣的環(huán)境，我們把這個(gè)環(huán)境定義為量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，量子測控一體機(jī)就是這個(gè)系統(tǒng)，它是量子計(jì)算機(jī)除了量子芯片之外的所有硬件部件。”

量子測控一體機(jī)未研制成功之前，科研人員想要操控量子比特，要使用諸多儀器，有的儀器體積比柜式空調(diào)還要大，林林總總的儀器在一起，需要一間三四十平方米的房間才能放下。隨著操控量子比特?cái)?shù)目的不斷增多，儀器需要相應(yīng)增加，占地也越大。這類似經(jīng)典計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)時(shí)的場景，1946年，世界上第一臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)誕生時(shí)，占地面積很大。

“量子計(jì)算機(jī)要想方便地投入使用，必須走小型化之路。”郭國平說，研究團(tuán)隊(duì)將諸多儀器進(jìn)行集成后變成一臺儀器，即量子測控一體機(jī)，主要功能是提供量子芯片運(yùn)行所需的各種關(guān)鍵信號，同時(shí)，量子芯片處理完一個(gè)任務(wù)以后，也可以通過量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)讀取處理結(jié)果。

在當(dāng)前量子芯片飛速集成發(fā)展的階段，量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)不可或缺的組成部分，能使量子芯片最大程度發(fā)揮性能優(yōu)勢。

節(jié)約成本，能應(yīng)用于精密測量等更廣泛領(lǐng)域

在本源量子測控一體機(jī)研制成功之前，量子計(jì)算機(jī)研發(fā)只能使用傳統(tǒng)商用儀器設(shè)備自行搭建量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這些商用儀器是非標(biāo)設(shè)備，并不是專業(yè)可操控量子比特，只是經(jīng)過調(diào)控后可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)操控量子比特的功能。

“就好像科研人員需要盛水這個(gè)功能，以往市面上只有青花罐，青花罐當(dāng)然可以盛水，但盛水只是青花罐的一個(gè)功能。”郭國平說。因此，原有的搭建方式不僅成本高昂、功能冗余，還存在兼容性差、難以調(diào)試等缺點(diǎn)。

“我們相當(dāng)于為實(shí)現(xiàn)盛水功能打造了一個(gè)儲水罐。”郭國平說，如果買傳統(tǒng)商業(yè)儀器搭建一套系統(tǒng)，成本超過千萬元，而專門針對量子芯片設(shè)計(jì)的量子測控一體機(jī)可節(jié)約一半成本，大批量生產(chǎn)后，成本還會進(jìn)一步降低。

此外，量子測控一體機(jī)的使用還可以大量節(jié)約科研時(shí)間。以往科研人員自行搭建量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，由于各個(gè)商用儀器缺乏統(tǒng)一規(guī)范，調(diào)試這些設(shè)備需要花費(fèi)數(shù)月甚至一年多的時(shí)間。量子測控一體機(jī)投入使用后，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間接近于0，科研人員可以更專注于科研相關(guān)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

量子測控一體機(jī)其本身還是高端儀器儀表，能夠應(yīng)用于精密測量、基礎(chǔ)科學(xué)研究等更廣泛的領(lǐng)域。郭國平說，目前國內(nèi)高端儀器儀表依賴于進(jìn)口，量子測控一體機(jī)的一些元部件已經(jīng)國產(chǎn)化，在其可應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域，高端儀器依賴進(jìn)口的局面或?qū)⒏纳啤?/p>

將隨著量子芯片的發(fā)展迭代，但距離量子計(jì)算機(jī)面世還很遠(yuǎn)

郭光燦院士團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，目前量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的階段，相當(dāng)于蒸汽機(jī)剛剛面世之際。“當(dāng)蒸汽機(jī)只有0.01馬力時(shí)，是比不過馬匹的，但有何意義?它代表著一個(gè)發(fā)展的方向。”郭國平說。

科研人員預(yù)測，當(dāng)量子計(jì)算時(shí)代到來時(shí)，利用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，將只需要10秒鐘。而現(xiàn)在，即便是用世界上最快的超級計(jì)算機(jī)也至少需要幾百年。

郭國平說，現(xiàn)在的量子測控一體機(jī)只能服務(wù)于0.01馬力的量子芯片，當(dāng)量子芯片升級1馬力、10馬力時(shí)，測控一體機(jī)要隨之升級迭代，滿足更多位數(shù)量子芯片的測控需求。

郭光燦表示，除了量子芯片、控制系統(tǒng)外，要研制一臺真正有用的量子計(jì)算機(jī)所需要的量子元素還很多，距離量子計(jì)算機(jī)的真正面世還很遠(yuǎn)。

負(fù)責(zé)量子測控一體機(jī)研發(fā)的技術(shù)總監(jiān)孔偉成說：“團(tuán)隊(duì)將盡快研制出‘量子計(jì)算機(jī)’原型機(jī)，并且探索更廣泛的應(yīng)用場景。然后再通過十年到二十年時(shí)間，研制出可解決實(shí)際生活需求的專用量子計(jì)算機(jī)，最后再通過數(shù)十年的努力，實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)。”

郭國平說，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)時(shí)代，一些跨國公司已在操作系統(tǒng)和芯片等方面建立體系，使后來者追趕困難。而在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，海外跨國公司還沒有形成絕對優(yōu)勢。“我們希望通過努力，在量子計(jì)算時(shí)代到來之際搶占先機(jī)，成為推動(dòng)全世界科研發(fā)展的創(chuàng)新力量。”郭國平說。